RU187628U1

RU187628U1 - DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC EXTRACTION AND REMOVAL OF DENTS

Info

Publication number: RU187628U1
Application number: RU2018130250U
Authority: RU
Inventors: Юрий Бориславович Кудасов
Original assignee: Юрий Бориславович Кудасов
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Изобретение относится к технике магнитно-импульсной обработки материалов и может быть использовано для формовки тонкостенных металлических деталей и устранения вмятин. Устройство содержит индуктор для создания импульсных магнитных полей в обрабатываемой детали, первичный источник тока, генерирующий преимущественно однополярный медленно изменяющийся первичный импульс тока в индукторе, набор из параллельно включенных вторичных источников тока, создающий последовательность преимущественно однополярных быстро изменяющихся импульсов вторичного тока в течение импульса первичного тока, причем полярность импульсов вторичного импульса тока преимущественно противоположно направлению первичного импульса тока. Отличительным признаком устройства является то, что набор вторичных источников тока подключен к индуктору через неуправляемый разрядник. Также последовательно с каждым вторичным источником включен диод и дроссель с насыщающимся сердечником для развязки вторичных источников между собой. Рабочую головку можно изготовить в виде отдельного перемещаемого узла, возможно снабженного ручками или держателем для фиксации его положения относительно детали. Предлагаемое изобретение позволяет расширить рабочий диапазон и повысить надежность функционирования устройства. Устройство предназначено в основном для устранения вмятин на стальных листах автомобильных кузовов.

The invention relates to techniques for magnetic-pulse processing of materials and can be used for molding thin-walled metal parts and eliminate dents. The device comprises an inductor for generating pulsed magnetic fields in the workpiece, a primary current source generating a predominantly unipolar slowly varying primary current pulse in the inductor, a set of parallel connected secondary current sources creating a sequence of predominantly unipolar rapidly changing secondary current pulses during the primary current pulse, moreover, the polarity of the pulses of the secondary current pulse is mainly opposite to the direction of the primary pulses there is current. A distinctive feature of the device is that a set of secondary current sources is connected to the inductor through an uncontrolled arrester. Also, a diode and a saturable core choke are connected in series with each secondary source to decouple the secondary sources from each other. The working head can be made in the form of a separate movable unit, possibly equipped with handles or a holder for fixing its position relative to the part. The present invention allows to expand the operating range and improve the reliability of the device. The device is intended mainly for removing dents on steel sheets of automobile bodies.

Description

Изобретение относится к технике магнитно-импульсной обработки материалов и может быть использовано для формовки тонкостенных металлических деталей и устранения вмятин на металлических элементах.The invention relates to techniques for magnetic pulse processing of materials and can be used for molding thin-walled metal parts and eliminate dents on metal elements.

Известно устройство для деформации металлических тонкостенных деталей импульсным магнитным полем ([1] H.H. Kolm, patent US №3703958, 11/1972), состоящее из электромагнитной системы (в виде двух соленоидов) и двух источников импульсного тока, подключенных к электромагнитной системе. Первый источник тока создает в детали постоянное или медленно изменяющееся магнитное поле, которое проникает через деталь, второй источник тока создает быстро изменяющееся магнитное поле в области детали, которое вызывает интенсивные вихревые токи в металлической детали и ее деформацию. Причем в зависимости от взаимного направления магнитных полей, создаваемых первым и вторым источником тока (или от полярности их тока), характер силы действующей на деталь может быть как отталкивающим от электромагнитной системы, так и притягивающим к ней.A device for the deformation of thin-walled metal parts by a pulsed magnetic field ([1] H.H. Kolm, patent US No. 3703958, 11/1972), consisting of an electromagnetic system (in the form of two solenoids) and two pulsed current sources connected to an electromagnetic system. The first current source creates a constant or slowly changing magnetic field in the part, which penetrates the part, the second current source creates a rapidly changing magnetic field in the part, which causes intense eddy currents in the metal part and its deformation. Moreover, depending on the mutual direction of the magnetic fields created by the first and second current source (or the polarity of their current), the nature of the force acting on the part can be both repulsive from the electromagnetic system and attracting to it.

Известно устройство и способ для электромагнитной вытяжки металлических деталей и устранения вмятин на них, предложенные в работе ([2] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №3998081, 12/1976). Устройство содержит электромагнитную систему, первичный источник тока, подключенный к электромагнитной системе, вторичный источник тока, также подключенный к электромагнитной системе. Электромагнитная система прототипа изготовлена в виде катушки, намотанной проводником электрического тока. Намотка катушки может выполняться различными способами: плоская спираль, многослойная плоская спираль, спирали (в том числе и многослойные), лежащие внескольких плоскостях под углом друг к другу и т.д. Первичный источник тока, нескольких плоскостях под углом друг к другу и т.д. Первичный источник тока, подключенный к электромагнитной системе, создает медленно изменяющийся импульс тока и, соответственно, первичного магнитного поля в области детали. Длительность импульса выбиралась таким образом, чтобы магнитное поле могло проникнуть через проводящую деталь без возникновения заметных пондеромоторных сил в детали. Затем вторичным источником тока генерировался короткий вторичный импульс тока и, соответственно, вторичного магнитного поля. При этом полярность импульса вторичного тока была противоположной первичному, поэтому создаваемое вторичное магнитное поле было преимущественно противоположно по направлению первичному. Длительность вторичного импульса выбиралась так, чтобы вторичный импульс не проникал сквозь металлическую деталь за счет скин-эффекта. При этом магнитной поле между электромагнитной системой и деталью уменьшалось из-за частичной компенсации первичного и вторичного магнитно поля, а за деталью оно оставалось прежним. Это создавало пондеромоторную силу импульсного магнитного поля, притягивающую деталь к электромагнитной системе. Такой способ и устройство на его основе могут эффективно работать для относительно тонкостенных деталей (толщина много меньше характерных размеров вдоль поверхности) с хорошей электропроводностью при использовании сильных магнитных полей (порядка 10 Тл).A device and method for electromagnetic extraction of metal parts and the elimination of dents on them, proposed in the work ([2] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent No. 3998081, 12/1976). The device comprises an electromagnetic system, a primary current source connected to the electromagnetic system, a secondary current source also connected to the electromagnetic system. The electromagnetic system of the prototype is made in the form of a coil wound by an electric current conductor. Coil winding can be performed in various ways: a flat spiral, a multilayer flat spiral, spirals (including multilayer ones) lying in several planes at an angle to each other, etc. Primary current source, multiple planes at an angle to each other, etc. The primary current source connected to the electromagnetic system creates a slowly changing current pulse and, accordingly, the primary magnetic field in the area of the part. The pulse duration was chosen so that the magnetic field could penetrate through the conductive part without the appearance of noticeable ponderomotive forces in the part. Then a short secondary current pulse and, accordingly, a secondary magnetic field were generated by the secondary current source. In this case, the polarity of the secondary current pulse was opposite to the primary one; therefore, the generated secondary magnetic field was mainly opposite in direction to the primary one. The duration of the secondary pulse was chosen so that the secondary pulse did not penetrate the metal part due to the skin effect. In this case, the magnetic field between the electromagnetic system and the part decreased due to partial compensation of the primary and secondary magnetic fields, and after the part it remained the same. This created the ponderomotive force of the pulsed magnetic field, attracting the part to the electromagnetic system. Such a method and a device based on it can effectively work for relatively thin-walled parts (the thickness is much less than the characteristic dimensions along the surface) with good electrical conductivity when using strong magnetic fields (of the order of 10 T).

Отдельные элементы устройства, предложенного в работе [2] были развиты и уточнены в серии патентов. В работах ([3] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4061007, 12/1977), ([4] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4127933, 12/1978), ([5] R.F.Olsen, US patent №7068134 B2, 06/2006) и ([6] F.P. Berg, D.B. Smith, US patent №7114242 B2, 10/2006) представлены индукторы в виде катушки, изготовленной из свернутого в рулон плоского проводящего листа с изоляционной прокладкой, причем эти рулоны дополнительно снабжены вырезами для концентрации магнитного потока в области вмятины на обрабатываемой детали. В работе ([7] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4986102, 01/1991) использован индуктор, состоящий из двух катушек, включенных последовательно. В работах ([8] P.B. Zieve, US patent №5046345, 09/1991) и ([9] D.B. Smith et al., US patent №6639781, 10/2003) детально описана конструкция источников тока на основе емкостных накопителей энергии, в электрической схеме использованы дополнительные блокирующая индуктивности, включенные последовательно с первичным источником тока для электрической развязки двух источников тока. Также в этих работах применены кроубарные диодные и тиристорные цепи для предотвращения колебательного процесса разряда конденсаторов на индуктивную нагрузку и перезарядки конденсаторов, входящих в источники первичного и вторичного токов. В работах ([10] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4148091, 04/1979) и ([11] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4116031, 09/1978) электромагнитная система была выполнена в виде двух раздельных катушек с одновитковым концентратором магнитного потока, магнитосвязанным с обеими катушками.Individual elements of the device proposed in [2] were developed and clarified in a series of patents. In ([3] KA Hansen, IG Hendrickson, US patent No. 4061007, 12/1977), ([4] KA Hansen, IG Hendrickson, US patent No. 4127933, 12/1978), ([5] RFOlsen, US patent No. 7068134 B2, 06/2006) and ([6] FP Berg, DB Smith, US patent No. 7114242 B2, 10/2006) present inductors in the form of a coil made of a rolled flat conductive sheet with an insulating gasket, and these the rolls are additionally equipped with cutouts for the concentration of magnetic flux in the dent area on the workpiece. In the work ([7] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent No. 4986102, 01/1991), an inductor consisting of two coils connected in series was used. The works ([8] PB Zieve, US patent No. 5046345, 09/1991) and ([9] DB Smith et al., US patent No. 6639781, 10/2003) described in detail the design of current sources based on capacitive energy storage, The electric circuit used additional blocking inductances, connected in series with the primary current source for electrical isolation of two current sources. Crowbar diode and thyristor circuits were also used in these works to prevent the oscillatory process of discharging capacitors to inductive load and recharging capacitors included in the sources of primary and secondary currents. In ([10] KA Hansen, IG Hendrickson, US patent No. 4148091, 04/1979) and ([11] KA Hansen, IG Hendrickson, US patent No. 4116031, 09/1978) the electromagnetic system was made in the form of two separate coils with a single-turn magnetic flux concentrator magnetically connected to both coils.

Известны также способ и устройство ([12] O. Gafri, Y. Livshiz, US patent №6630649, 10/2003), где создаются первичное (медленное) и вторичное (быстрое) переменные магнитные поля. Однако их взаимная полярность не определена (колебательный режим).There is also a known method and device ([12] O. Gafri, Y. Livshiz, US patent No. 6630649, 10/2003), where primary (slow) and secondary (fast) alternating magnetic fields are created. However, their mutual polarity is not defined (oscillatory mode).

Наиболее близким устройством для электромагнитной вытяжки металлических деталей и устранения вмятин на них (прототип), является устройство, предложенное в работе ([13] Ю.Б. Кудасов, Устройство и способ для электромагнитной вытяжки и устранения вмятин, патент РФ 2558700, 08/2014). Устройство содержит индуктор, первичный источник тока, подключенный к индуктору через блокирующую индуктивность, набор из параллельно включенных вторичных источников тока, подсоединенный к индуктору, а также контроллер для управления работой узлов устройства. При этом первичный и вторичные источники тока выполнены в виде конденсатора, предварительно заряжаемого зарядным устройством, управляемого коммутатора, включенного последовательно с конденсатором и кроубарной цепи. Первичный источник тока создает в индукторе медленно изменяющийся преимущественно однополярный импульс тока и, соответственно, импульс первичного магнитного поля в области обрабатываемой детали. Длительность импульса выбиралась таким образом, чтобы магнитное поле могло проникнуть через проводящую деталь без возникновения заметных пондеромоторных сил в ней. Вблизи максимума первичного импульса тока вторичные источники генерировали последовательно одиночные короткие вторичные импульсы тока. При этом полярность импульса вторичного тока была преимущественно противоположна первичному, поэтому создаваемое вторичное магнитное поле было также преимущественно противоположно по направлению первичному полю. Длительность вторичного импульса выбиралась так, чтобы вторичный импульс не проникал сквозь металлическую деталь (за счет скин-эффекта). Тогда магнитной поле между индуктором и деталью уменьшалось из-за частичной компенсации первичного и вторичного магнитно поля, а за деталью оно оставалось прежним, что создавало пондеромоторную силу импульсного магнитного поля, притягивающую деталь к индуктору. В работах [13] и ([14] Ю.Б. Кудасов, Д.А. Маслов, О.М. Сурдин, Письма в ЖТФ, Т. 43, С. 10, 2017) было показано, что генерация последовательности вторичных импульсов эффективнее одиночного вторичного импульса, как это было предложено в [2].The closest device for the electromagnetic drawing of metal parts and removing dents on them (prototype) is the device proposed in the work ([13] Y. B. Kudasov, Device and method for electromagnetic drawing and removing dents, RF patent 2558700, 08/2014 ) The device comprises an inductor, a primary current source connected to the inductor through a blocking inductance, a set of parallel connected secondary current sources connected to the inductor, and a controller for controlling the operation of the device nodes. In this case, the primary and secondary current sources are made in the form of a capacitor pre-charged by the charger, a controlled switch connected in series with the capacitor and the crowbar circuit. The primary current source creates in the inductor a slowly changing predominantly unipolar current pulse and, accordingly, a primary magnetic field pulse in the region of the workpiece. The pulse duration was chosen so that the magnetic field could penetrate through the conductive part without the occurrence of noticeable ponderomotive forces in it. Near the maximum of the primary current pulse, secondary sources sequentially generated single short secondary current pulses. In this case, the polarity of the secondary current pulse was predominantly opposite to the primary, so the generated secondary magnetic field was also mainly opposite in direction to the primary field. The duration of the secondary pulse was chosen so that the secondary pulse did not penetrate the metal part (due to the skin effect). Then the magnetic field between the inductor and the part decreased due to partial compensation of the primary and secondary magnetic fields, and behind the part it remained the same, which created the ponderomotive force of the pulsed magnetic field, attracting the part to the inductor. In [13] and ([14] Yu.B. Kudasov, D.A. Maslov, O.M. Surdin, Letters in ZhTF, T. 43, P. 10, 2017) it was shown that the generation of a sequence of secondary pulses more efficient than a single secondary pulse, as was proposed in [2].

В прототипе в качестве кроубарной цепи в источниках тока был выбран диод (диодный столб) в первичном источнике и тиристорный коммутатор для набора вторичных источников. Тиристорный коммутатор в качестве кроубарной цепи снижает эффективность устройства, поскольку, во-первых, он должен быть точно синхронизован с работой вторичных источников по времени, а, во-вторых, тиристор имеет конечное время восстановления после протекания импульса тока (время рассасывания заряда в тиристорной структуре), поэтому вторичные импульсы не могут перекрываться между собой и, более того, должны быть разнесены по времени (пауза должна быть больше времени восстановления). Это снижает функциональные возможности устройства. Использование диодных кроубарных цепей во вторичных источниках невозможно, поскольку в этом случае кроубарная цепь окажется открытой на переднем фронте первичного импульса и будет шунтировать индуктор.In the prototype, a diode (diode pole) in the primary source and a thyristor switch for a set of secondary sources were selected as a cube-circuit in current sources. The thyristor switch, as a crowbar circuit, reduces the efficiency of the device, because, firstly, it must be precisely synchronized with the operation of secondary sources in time, and secondly, the thyristor has a finite recovery time after a current pulse (charge dissipation time in the thyristor structure ), therefore, secondary pulses cannot overlap with each other and, moreover, must be spaced in time (the pause should be longer than the recovery time). This reduces the functionality of the device. The use of diode crowbar circuits in secondary sources is impossible, since in this case the crowbar circuit will be open at the leading edge of the primary pulse and will bypass the inductor.

Прототип предназначен, в первую очередь, для устранения вмятин на металлических кузовах автомобилей.The prototype is intended, first of all, to eliminate dents on metal car bodies.

К недостаткам прототипа относится тот факт, что при одновременной работе первичного и вторичных импульсных источников тока на одну нагрузку (индуктор) возникает их взаимное влияние, которое снижает эффективность и надежность работы, а также ограничивает выбор возможных режимов работы.The disadvantages of the prototype include the fact that with the simultaneous operation of primary and secondary pulsed current sources per load (inductor), their mutual influence arises, which reduces the efficiency and reliability of operation, and also limits the choice of possible operating modes.

В связи с этим возникает техническая задача повышения эффективности и надежности, а также расширения функциональных возможностей устройства.In this regard, there is a technical problem of increasing efficiency and reliability, as well as expanding the functionality of the device.

Технический результат заключается в увеличении надежности устройства за счет развязки первичного и вторичных источников тока, повышения эффективности и расширения функциональных возможностей за счет снятия ограничения по времени срабатывания вторичных источников тока, вплоть до частичного перекрывания импульсов по времени.The technical result consists in increasing the reliability of the device by decoupling the primary and secondary current sources, increasing efficiency and expanding functionality by removing the time limit for the operation of secondary current sources, up to partial overlapping of the pulses in time.

Технический результат достигается следующим образом. В заявляемом устройстве набор вторичных источников тока соединен с индуктором через неуправляемый коммутатор, разомкнутый в исходном состоянии и переходящий во включенное состояние при достижении порогового напряжения. В качестве такого коммутатора может быть использован неуправляемый разрядник. Напряжение, при котором происходит срабатывание разрядника должно быть, с одной стороны, больше напряжения на индукторе на фронте первичного импульса тока, а, с другой, меньше, чем напряжение на фронте импульсов вторичных источников тока. В этом случае при работе первичного источника разрядник будет в закрытом состоянии до срабатывания вторичных источников, что предотвратит шунтирование индуктора цепями вторичных источников.The technical result is achieved as follows. In the inventive device, a set of secondary current sources is connected to the inductor through an uncontrolled switch, open in the initial state and turning on when the threshold voltage is reached. An uncontrolled arrester can be used as such a switch. The voltage at which the arrester trips must be, on the one hand, greater than the voltage at the inductor at the front of the primary current pulse, and, on the other, less than the voltage at the front of the pulses of the secondary current sources. In this case, during operation of the primary source, the arrester will be in a closed state until the secondary sources operate, which will prevent the inductor from being shunted by the secondary source circuits.

Указанное выше условие на напряжение срабатывания неуправляемого разрядника легко достижимо, поскольку скорости нарастания в первичном и вторичных импульсах тока сильно различаются. Так, напряжение на индукторе индуктивностью L определяется скоростью изменения тока I:

Отсюда видно, что напряжение на фронте быстрого импульса будет выше пропорционально скорости нарастания тока. Типичное отношение скоростей нарастания тока во вторичном и первичном импульсе составляет около 100. Поэтому амплитуда напряжения на фронте первичного импульса будет примерно на два порядка ниже, чем амплитуда напряжения на фронте вторичного импульса.The above condition for the operating voltage of an uncontrolled arrester is easily achievable, since the slew rates in the primary and secondary current pulses are very different. So, the voltage at the inductor with the inductance L is determined by the rate of change of current I:

This shows that the voltage at the front of the fast pulse will be higher in proportion to the current rise rate. The typical ratio of current rise rates in the secondary and primary pulses is about 100. Therefore, the voltage amplitude at the front of the primary pulse will be about two orders of magnitude lower than the voltage amplitude at the front of the secondary pulse.

Использование неуправляемого коммутатора в цепи между набором вторичных источников тока и индуктором позволяет использовать простые и надежные диодные кроубарные цепи: диод, подключенный параллельно цепи конденсатора и управляемого коммутатора таким образом, чтобы при включении коммутатора и начале разряда конденсатора диод находился в запертом состоянии.The use of an uncontrolled switch in a circuit between a set of secondary current sources and an inductor allows the use of simple and reliable diode crowbar circuits: a diode connected in parallel to the capacitor circuit and a controlled switch in such a way that when the switch is turned on and the capacitor starts to discharge, the diode is locked.

Еще одна проблема, связанная с работой прототипа [13], - это взаимодействие вторичных источников между собой. При работе прототипа вторичные импульсы не должны перекрываться, иначе источники начнут шунтировать друг друга, что резко снизит эффективность и надежность их работы. Более того, между ними должна быть пауза по длительности большая, чем время восстановления закрытого состояния ключа во вторичных источниках (как правило, оно определяется временем рассасывания заряда). Для разрядников это время составляет порядка 100 мкс или более, в быстрых тиристорных ключах - порядка 10 мкс. Устранить эту проблему можно, включив последовательно с каждым вторичным источником тока диоды, так чтобы при срабатывании вторичного источника соответствующий диод находился в открытом состоянии. При этом в цепи между вторичными источниками диоды оказываются включенными встречно, т.е. они полностью развязывают вторичные источники между собой. Поскольку вторичные импульсы имеют крутой фронт, следует предпринять меры по защите диодов от превышения скорости критического нарастания тока в отрытом состоянии и критической скорости нарастания обратного напряжения в закрытом состоянии. Для этого удобно включить последовательно с диодами дроссель с насыщающимся сердечником (неуправляемый магнитный ключ). В начальный момент времени такой дроссель имеет большую индуктивность, препятствуя быстрому увеличению тока в диоде, при достижении тока выше порогового сердечник насыщается, и индуктивное сопротивление дросселя резко уменьшается, при уменьшении тока и переходе диода в закрытое состояние дроссель переходит в состояние с высоким индуктивным сопротивлением и препятствует быстрому нарастанию напряжения.Another problem associated with the operation of the prototype [13] is the interaction of secondary sources with each other. During the operation of the prototype, secondary pulses should not overlap, otherwise the sources will start shunting each other, which will sharply reduce the efficiency and reliability of their work. Moreover, between them there should be a pause in duration longer than the recovery time of the closed state of the key in secondary sources (as a rule, it is determined by the time of dissolution of the charge). For arresters, this time is about 100 μs or more, in fast thyristor switches it is about 10 μs. This problem can be eliminated by switching diodes in series with each secondary current source, so that when the secondary source is activated, the corresponding diode is in the open state. Moreover, in the circuit between the secondary sources, the diodes are turned on in the opposite direction, i.e. they completely untie the secondary sources among themselves. Since the secondary pulses have a steep front, measures should be taken to protect the diodes from exceeding the critical slew rate of the current in the open state and the critical slew rate of the reverse voltage in the closed state. For this, it is convenient to connect a saturable core inductor (uncontrolled magnetic key) in series with the diodes. At the initial moment of time, such a choke has a large inductance, preventing a rapid increase in the current in the diode, when the current reaches a threshold value, the core saturates, and the inductance of the choke decreases sharply, when the current decreases and the diode goes to the closed state, the choke switches to a state with high inductance prevents the rapid increase in voltage.

Индуктор может быть изготовлен в виде (а) обычной проволочной катушки сильных магнитных полей ([14] А.С. Лагутин, В.И. Ожогин, Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте, М.: Энергоатомиздат, 1988) или в виде рулона из металлического листа с изолирующей прокладкой со специальными вырезами для концентрации магнитного потока [3-6,13]. Также возможно использование плоских спиральных катушек, в том числе, многослойных и имеющих сложную форму, как это предложено в работе [2]. Для увеличения эффективности электромагнитной системы ее можно оснастить одновитковым концентратором магнитного потока, что широко используется в технике сильных импульсных магнитных полей [14] и, в частности, в магнитно-импульсной обработке материалов ([15] И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко, Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов, Харьков, Вища Школа, 1977). Могут быть использованы концентраторы, примененные в патентах [10,11].The inductor can be made in the form of (a) an ordinary wire coil of strong magnetic fields ([14] AS Lagutin, VI Ozhogin, Strong pulsed magnetic fields in a physical experiment, M .: Energoatomizdat, 1988) or in the form of a roll from a metal sheet with an insulating pad with special cutouts for magnetic flux concentration [3-6,13]. It is also possible to use flat spiral coils, including multilayer and complex ones, as proposed in [2]. To increase the efficiency of the electromagnetic system, it can be equipped with a single-turn magnetic flux concentrator, which is widely used in the technique of strong pulsed magnetic fields [14] and, in particular, in magnetic pulse processing of materials ([15] IV Bely, S.M. Fertik, L.T. Khimenko, Handbook of magnetic-pulse processing of metals, Kharkov, Vishcha School, 1977). Hubs used in patents can be used [10,11].

Следует отметить, что для развязки первичного и вторичного источников питания следует использовать блокирующую индуктивность, включенную последовательно с первичным источником [7-9]. Ее величина выбирается таким образом, чтобы блокировать протекание вторичного тока в цепи первичного источника.It should be noted that for decoupling the primary and secondary power sources, a blocking inductance connected in series with the primary source should be used [7-9]. Its value is selected in such a way as to block the flow of secondary current in the circuit of the primary source.

Для выправки вмятин на металлическом листе (детали) необходимо иметь поверхность, придающую детали конечную форму [2]. Для этого используется сменный диэлектрический шаблон, поверхность которого со стороны детали имеет поверхность близкую к требуемой форме. Следует учитывать упругую разгрузку детали после импульса, поэтому форма этой поверхности у шаблона не должна обязательно точно совпадать с заданной. Вместо шаблона можно сформировать требуемую форму рабочей поверхности диэлектрической основы, в которую встроен индуктор.To straighten dents on a metal sheet (part), it is necessary to have a surface that gives the part its final shape [2]. For this, a replaceable dielectric template is used, the surface of which on the part side has a surface close to the desired shape. It is necessary to take into account the elastic unloading of the part after the impulse, therefore the shape of this surface of the template does not have to coincide exactly with the given one. Instead of the template, it is possible to form the desired shape of the working surface of the dielectric base, in which the inductor is integrated.

Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 схематично изображено устройство для вытяжки металла и устранения вмятин, на фиг. 2 - формы импульсов первичного, вторичного и полного токов.The invention is illustrated by figures. In FIG. 1 schematically shows a device for drawing metal and removing dents, FIG. 2 - pulse shapes of primary, secondary and full currents.

Устройство для вытяжки металла и устранения вмятин (фиг. 1) содержит:A device for drawing metal and removing dents (Fig. 1) contains:

(а) двуполярное зарядное устройство 1,(a) bipolar charger 1,

(б) управляемые ключи 2, 3, 4, 5,(b) managed keys 2, 3, 4, 5,

(в) первичный источник тока 6, состоящий из конденсаторной батареи 10, тиристорного ключа 14 и кроубарного диода 18,(c) a primary current source 6, consisting of a capacitor bank 10, a thyristor switch 14, and a crowbar diode 18,

(г) набор вторичных источников тока 7, 8, 9, каждый из которых состоит из конденсаторной батареи 11, 12, 13, тиристорного ключа 15, 16, 17 и кроубарного диода 19, 20, 21.(d) a set of secondary current sources 7, 8, 9, each of which consists of a capacitor bank 11, 12, 13, a thyristor switch 15, 16, 17 and a crowbar diode 19, 20, 21.

(д) блокирующую индуктивность 22,(e) blocking inductance 22,

(е) индуктор 23,(e) inductor 23,

(ж) неуправляемый разрядник 24,(g) uncontrolled arrester 24,

(з) диоды 25, 26, 27,(h) diodes 25, 26, 27,

(и) дроссели с насыщающимися сердечниками 28,29, 30, (к) контроллер 31.(i) saturable core chokes 28.29, 30, (k) controller 31.

Индуктор 23 в данном примере находится в диэлектрической основе и встроен в рабочую головку. Предварительно рабочая головка 23 должна быть позиционирована относительно обрабатываемой детали таким образом, чтобы устраняемая вмятина оказалась в области концентрации магнитного потока. Рабочая головка должна плотно прилегать к обрабатываемой детали или к шаблону, находящемуся между индуктором и деталью.The inductor 23 in this example is in a dielectric basis and is integrated in the working head. Previously, the working head 23 should be positioned relative to the workpiece so that the dent to be removed is in the concentration range of the magnetic flux. The working head should fit snugly against the workpiece or to the template located between the inductor and the part.

Пример выполнения конструкции устройства, представлен на фиг. 1. Зарядное устройство 1 имеет положительное зарядное напряжение 3 кВ и отрицательное зарядное напряжение - 15 кВ. Источники первичного и вторичного тока 6, 7, 8, 9 выполнены на основе емкостных накопителей с тиристорными ключами и кроубарными диодами аналогично работам [8, 9]. Зарядка конденсаторов 10, 11, 12, 13 производится до начала рабочего цикла. Поскольку время зарядки не ограничено, зарядные токи могут быть небольшими (менее 1 А). Поэтому управляемые ключи 3, 4, 5, 6 могут быть выполнены на основе механических релейных коммутаторов с максимальным допустимым напряжением в разомкнутом состоянии до 3 кВ для ключа 2 и до 15 кВ для ключей 3, 4, 5. Конденсатор 10 имеет емкость 10 мФ и максимально допустимое напряжение 3 кВ, конденсаторы 11, 12 и 13 имеют емкости по 1 мкФ при максимально допустимом напряжении 15 кВ. Управляемый ключ 9 выполнен на основе тиристора Т453-630 (32 кл.). Диодный столб из двух диодов ДИ173-5000-22 используется в качестве кроубарного диода 18. Ключи 15, 16, 17 представляют собой тиристорные столбы на основе тиристоров ТБИ371-160 (не ниже 10 кл.) по 16 штук в каждом. Кроубарные диоды 19, 20, 21 выполнены в виде диодных столбов по 4 диода Д123-200-60 в каждом. Диоды 25, 26, 27 выполнены в виде диодных столбов по 4 диода ДЧ423-200-46 с малым временем восстановления. Каждый из дросселей 28, 29, 30 изготовлен на двух U-образных сердечников марки В67345-В1-Х87. Неуправляемый разрядник 24 выполнен на основе газонаплоненного разрядника типа РУ-62 с пороговым напряжением 7 кВ. Балластная индуктивность 22 имеет номинальную индуктивность 60 мкГн и максимально допустимое напряжение 20 кВ.An example of the construction of the device shown in FIG. 1. Charger 1 has a positive charging voltage of 3 kV and a negative charging voltage of 15 kV. Sources of primary and secondary currents 6, 7, 8, 9 are made on the basis of capacitive drives with thyristor switches and crowbar diodes similarly to [8, 9]. Capacitors 10, 11, 12, 13 are charged before the start of the working cycle. Since charging time is not limited, charging currents may be small (less than 1 A). Therefore, the controlled keys 3, 4, 5, 6 can be made on the basis of mechanical relay switches with a maximum permissible open-circuit voltage of up to 3 kV for key 2 and up to 15 kV for keys 3, 4, 5. The capacitor 10 has a capacity of 10 mF and the maximum allowable voltage is 3 kV, capacitors 11, 12 and 13 have capacities of 1 μF at the maximum allowable voltage of 15 kV. The controlled key 9 is made on the basis of the thyristor T453-630 (32 cells). A diode pole of two diodes DI173-5000-22 is used as a crowbar diode 18. Keys 15, 16, 17 are thyristor columns based on thyristors TBI371-160 (not less than 10 cells), 16 pieces each. Crowbar diodes 19, 20, 21 are made in the form of diode columns with 4 diodes D123-200-60 in each. Diodes 25, 26, 27 are made in the form of diode columns of 4 diodes DC423-200-46 with a short recovery time. Each of the chokes 28, 29, 30 is made on two U-shaped cores of the brand B67345-B1-X87. Uncontrolled arrester 24 is made on the basis of a gas-filled arrester type RU-62 with a threshold voltage of 7 kV. The ballast inductance 22 has a nominal inductance of 60 μH and a maximum allowable voltage of 20 kV.

Индуктор 23 намотан плоской медной лентой толщиной 0,45 мм с прокладкой из каптоновой ленты толщиной 50 мкм (Kapton, фирмы Du Pont) аналогично конструкции катушки в патенте [3] и прототипе [13]. Длина катушки составляет 100 мм, внутренний диаметр - 20 мм, внешний диаметр - 40 мм. Катушка имеет вырез-концентратор магнитного поля, сечение катушки в области максимальной концентрации магнитного потока 20×10 мм2. Эффективная индуктивность электромагнитной системы составляет примерно 27 мкГн для импульса первичного тока и 20 мкГн для вторичного тока (на частоте 50 кГц). Расчет производился по методике ([16] П.Л. Калантаров, Л.А.Цетлин, Расчет индуктивностей (справочная книга), Л.: Энергоатомиздат, 1986). Снижение индуктивности для импульса вторичного тока обусловлено скин-эффектом в детали. Внутренний каркас катушки выполнен из конструкционного стеклотекстолита, снаружи катушка бандажирована высокомодульной высокопрочной параарамидной нитью РУСЛАН, индуктор залит эпоксидным компаундом на основе эпоксидной смолы СЭДМ-3 с наполнителем из пылевидного кварца. В качестве шаблона может быть использован плоский лист конструкционного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Обрабатываемой деталью служит стальной лист (Ст.20) толщиной 0,8 мм, имеющий вмятину линейными размерами не более 20 мм и глубиной до 5 мм. Контроллер 31 выполнен на основе промышленного модульного управляющего комплекса National Instruments.The inductor 23 is wound with a flat copper tape 0.45 mm thick with a gasket of a Kapton tape 50 μm thick (Kapton, Du Pont) similar to the design of the coil in the patent [3] and prototype [13]. The coil length is 100 mm, the inner diameter is 20 mm, the outer diameter is 40 mm. The coil has a notch-concentrator of the magnetic field, the coil section in the region of the maximum magnetic flux concentration of 20 × 10 mm2. The effective inductance of the electromagnetic system is approximately 27 μH for the primary current pulse and 20 μH for the secondary current (at a frequency of 50 kHz). The calculation was carried out according to the methodology ([16] P.L. Kalantarov, L.A. Tsetlin, Calculation of inductances (reference book), L .: Energoatomizdat, 1986). The decrease in inductance for the secondary current pulse is due to the skin effect in the part. The inner frame of the coil is made of structural fiberglass, outside the coil is bandaged with a high-modulus high-strength para-aramid thread RUSLAN, the inductor is filled with an epoxy compound based on epoxy resin SEDM-3 with a filler of dusty quartz. As a template, a flat sheet of structural fiberglass 1 mm thick can be used. The workpiece is a steel sheet (St.20) with a thickness of 0.8 mm, with a dent in the linear dimensions of not more than 20 mm and a depth of 5 mm. Controller 31 is based on the National Instruments industrial modular control complex.

При подготовке к работе ключи 2, 3, 4, 5 замкнуты, поэтому конденсаторы 10, 11, 12, 13 заряжаются до номинального напряжения зарядных устройств. Непосредственно перед рабочим циклом контроллер размыкает ключи 3, 4, 5, 6.In preparation for operation, the keys 2, 3, 4, 5 are closed, so the capacitors 10, 11, 12, 13 are charged to the rated voltage of the chargers. Directly before the operating cycle, the controller opens the keys 3, 4, 5, 6.

Рабочий цикл начинается включением тиристорного ключа 14. Конденсатор 10 через блокировочную индуктивность 22 разряжается на катушку индуктор 23 и создает в ней первичный ток. По достижении максимума первичного тока, включается кроубарный диод 18, что предотвращает переполюсовку напряжения на конденсаторе 8. Поскольку напряжение, возникающее на неуправляемом разряднике 24, ниже напряжения срабатывания, он остается в разомкнутом состоянии. Длительность импульса первичного тока составляет около t1=4 мс (см. фиг. 2). Максимальное первичное магнитное поле в области детали составляет около 8 Тл, при первичном токе 20 кА. Глубина скин-слоя стали Ст.20 на частоте 100 Гц составляет более 20 мм [15], поэтому первичное магнитное поле практически полностью проникает через деталь без заметного ослабления и не деформируя деталь. Вблизи максимума первичного магнитного поля контроллер включает последовательно тиристорные ключи 15, 16 и 17 с интервалами 80 мкс. При этом генерируется последовательность импульсов вторичного тока, который в индукторе имеет направление противоположное первичному. Поскольку напряжение на фронте вторичных импульсов тока превышает напряжение срабатывания неуправляемого разрядника 24, происходит его включение. Вблизи максимума тока каждого из вторичных импульсов включается соответствующий кроубарный диод 19, 20, 21 и переводит разряд вторичного источника в апериодический режим. Длительность каждого импульса составляет около с t2=70 мкс (см. фиг. 2) при фронте менее 10 мкс. Поскольку индуктивность катушки 23 много меньше индуктивности блокировочной индуктивности 22, вторичный ток практически полностью протекает через катушку 23. Амплитуда вторичного тока в ней составляет не менее 3 кА, а амплитуда вторичного магнитного поля не менее 1,3 Тл. На фиг. 2 показаны схематично импульс первичного тока I1, импульсы генераторов одиночных импульсов I21, I22, I23 и импульс полного тока в катушке электромагнитной системы I. В отличие от прототипа вторичные импульсы могут генерироваться с произвольными паузами (или без них) и даже могут частично перекрываться.The duty cycle begins by turning on the thyristor switch 14. The capacitor 10 discharges the inductor 23 to the coil through a blocking inductance 22 and creates a primary current in it. Upon reaching the maximum of the primary current, the Crowbar diode 18 is turned on, which prevents the polarity reversal of the voltage across the capacitor 8. Since the voltage arising on the uncontrolled discharger 24 is lower than the response voltage, it remains in the open state. The duration of the primary current pulse is about t1 = 4 ms (see Fig. 2). The maximum primary magnetic field in the area of the part is about 8 T, with a primary current of 20 kA. The depth of the skin layer of steel St.20 at a frequency of 100 Hz is more than 20 mm [15], therefore, the primary magnetic field almost completely penetrates the part without noticeable weakening and without deforming the part. Near the maximum of the primary magnetic field, the controller turns on thyristor switches 15, 16 and 17 in series with 80 μs intervals. In this case, a sequence of pulses of a secondary current is generated, which in the inductor has a direction opposite to the primary one. Since the voltage at the front of the secondary current pulses exceeds the operating voltage of the uncontrolled arrester 24, it is turned on. Near the maximum current of each of the secondary pulses, the corresponding crowbar diode 19, 20, 21 is turned on and transfers the discharge of the secondary source to the aperiodic mode. The duration of each pulse is about t2 = 70 μs (see Fig. 2) with a front of less than 10 μs. Since the inductance of the coil 23 is much smaller than the inductance of the blocking inductance 22, the secondary current flows almost completely through the coil 23. The amplitude of the secondary current in it is at least 3 kA, and the amplitude of the secondary magnetic field is at least 1.3 T. In FIG. Figure 2 shows schematically the primary current pulse I1, the pulses of the single pulse generators I21, I22, I23 and the total current pulse in the coil of the electromagnetic system I. In contrast to the prototype, secondary pulses can be generated with arbitrary pauses (or without them) and can even partially overlap.

Глубина скин-слоя стали Ст.20 на частоте 50 кГц составляет 0,85 мм, поэтому вторичное магнитное поле эффективно создает индукционные токи и деформирует деталь. Предполагая, что вторичное поле полностью экранируется деталью, а первичное полностью проникает через деталь и что линии индукции магнитного поля параллельны поверхности детали, магнитное давление на поверхность детали можно оценить как Р=7 МПа [13,14]. Внутреннее напряжение на краю деформируемой области в детали может быть рассчитано по стандартным выражениям: для круглой пластинки радиуса а и толщины h шарнирно опертой по краю

([17] И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М.: Наука, 1986). При размерах а=10 мм, h=0,8 мм максимальное радиальное напряжение составляет более 1000 МПа, что значительно превышает предел текучести стали Ст.20. Поэтому на каждом импульсе из последовательности вторичных импульсов будет происходить пластическая деформация детали.The depth of the skin layer of steel St.20 at a frequency of 50 kHz is 0.85 mm, so the secondary magnetic field effectively creates induction currents and deforms the part. Assuming that the secondary field is completely shielded by the part, and the primary field penetrates completely through the part and that the lines of magnetic field induction are parallel to the surface of the part, the magnetic pressure on the surface of the part can be estimated as P = 7 MPa [13,14]. The internal stress at the edge of the deformable region in the part can be calculated using standard expressions: for a circular plate of radius a and thickness h pivotally supported along the edge

([17] I. A. Birger, R. R. Mavlyutov, Resistance of materials, Moscow: Nauka, 1986). With dimensions a = 10 mm, h = 0.8 mm, the maximum radial stress is more than 1000 MPa, which significantly exceeds the yield strength of steel Art.20. Therefore, at each pulse from the sequence of secondary pulses, plastic deformation of the part will occur.

Отметим, что масса индуктора составляет около 1 кг, что позволяет выполнить рабочую головку в виде отдельно перемещаемого и даже переносимого узла.Note that the mass of the inductor is about 1 kg, which allows you to make the working head in the form of a separately movable and even portable unit.

Claims

1. The device for electromagnetic extraction and elimination of dents, containing an inductor that generates a pulsed magnetic field in the workpiece, a primary current source, generating primarily a unipolar slowly changing primary current pulse and connected through a blocking inductance to the inductor, a set of parallel connected secondary current sources connected to inductor and creating a sequence of predominantly unipolar rapidly changing secondary current pulses during the primary pulse of the current, a controller for controlling and synchronizing the operation of the nodes of the device, the polarity of the pulses of the secondary current in the inductor is created mainly opposite the polarity of the primary current pulse in the inductor, and the primary and secondary current sources are made in the form of a capacitor pre-charged by a charging device, a controlled switch connected in series with a capacitor, and a diode connected in parallel with a capacitor-controlled switch circuit so that when the switch is turned on and the beginning of the discharge of the capacitor diode is in the locked state, characterized in that the set of secondary sources connected to the inductor via the unmanaged switch open in the initial state and rolling the ON state when the threshold voltage.

2. The device according to claim 1, containing a magnetic flux concentrator in the inductor.

3. The device according to claim 1, in which a series circuit comprising a diode or a diode pole and a choke with a core is connected in series with the output of each secondary current source, the polarity of the diode being connected so that at the initial stage of the discharge of the capacitor in the secondary source, the diode is in open state, and the core of the throttle went into a saturated state.

4. The device according to any one of paragraphs. 1-3, containing a dielectric template that is installed between the inductor and the workpiece, and the surface shape of which from the side of the part approximately corresponds to the desired final shape of the workpiece.

5. The device according to any one of paragraphs. 1-3, containing a dielectric base into which the inductor is integrated, the shape of the working surface of the dielectric base adjacent to the workpiece, approximately corresponds to the desired final shape of the workpiece.

6. The device according to any one of paragraphs. 1-3, containing the working head, in which the inductor is placed and which is made in the form of a separate movable node, equipped with handles or a holder for fixing its position relative to the part.

7. The device according to any one of paragraphs. 1-3, in which an unmanaged arrester is used as an unmanaged switch.