RU2790582C1

RU2790582C1 - Inductor for magnetic pulse processing of cylindrical workpieces

Info

Publication number: RU2790582C1
Application number: RU2021134844A
Authority: RU
Inventors: Иван Вячеславович Зверев; Григорий Николаевич Паньшин; Василий Александрович Лобов; Евгений Юрьевич Ремшев; Михаил Юрьевич Силаев
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2023-02-27

Abstract

FIELD: metal working.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metal forming using a pulse magnetic field and can be used for manufacturing cylindrical hollow metal items. Inductor for magnetic pulse processing of hollow cylindrical workpieces with a spiral consisting of separate segments shaped as split disks with a cut-out sector, coiled at a constant pitch. Current leads are welded to the end-wise segments. The coils are made of sheet metal with a cut-out sector bent at an angle of 10 to 90 ° and welded together. The spiral is heat-treated by tempering.

EFFECT: reliability with simpler manufacturing technology and prolonged operating life of the inductor.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением с применением импульсного магнитного поля и может быть использовано для изготовления цилиндрических полых металлических изделий при их размещении, как внутри индуктора («обжимом»), так и снаружи («раздачей»). The invention relates to the processing of metals by pressure using a pulsed magnetic field and can be used for the manufacture of cylindrical hollow metal products when they are placed both inside the inductor ("crimping") and outside ("distribution").

Типовая конструкция индуктора для магнитно-импульсной штамповки включает в себя токоподводы, спираль индуктора, межвитковую изоляцию, бандаж, крепежные элементы. Основным рабочим элементом индуктора, от которого зависит его эффективность, является токопроводящая спираль.A typical design of an inductor for magnetic-pulse stamping includes current leads, an inductor spiral, interturn insulation, a bandage, and fasteners. The main working element of the inductor, on which its efficiency depends, is a conductive spiral.

Известны варианты конструкции спирали аналогичные по форме цилиндрическим винтовым и плоским спиральным пружинам изготавливаемые путем навивки (В.А. Глущенков. Индукторы для магнитно-импульсной обработки. - Самара: Учебная литература, 2013 г. - 148 с, с. 46, рис. 6.10). Индукторы с навитой спиралью используют в единичном и мелкосерийном производстве. К их недостаткам относится малый ресурс при серийном и крупносерийном производстве, а также невозможность ремонта, в случае поломки спирали или межвиткового замыкания при повреждении изоляции.Variants of the design of the spiral are known similar in shape to cylindrical helical and flat spiral springs manufactured by winding (V.A. Gluschenkov. Inductors for magnetic pulse processing. - Samara: Educational literature, 2013 - 148 s, p. 46, Fig. 6.10 ). Wound coil inductors are used in single and small batch production. Their disadvantages include a small resource in serial and large-scale production, as well as the impossibility of repair in the event of a breakage of the spiral or interturn short circuit if the insulation is damaged.

Также известен индукторы изготавливаемые механической обработкой резанием (SU 1800727; А.К. Талалаев. Индукторы и установки для магнитно-импульсной обработки металлов. - М.: НТЦ «ИНФОРМТЕХНИКА», 1992 г. - 143 с, рис. 4.5; В.А. Глущенков. Индукторы для магнитно-импульсной обработки. - Самара: Учебная литература, 2013 г. - 148 с, рис. 6.7).Конструкции спиралей зачастую не позволяют обеспечить высокую стойкость и долговечность, а опытными исследованиями установлено, что пробой изоляции и отказ индуктора происходит обычно между первым и вторым витком. Точеная спираль с крайними витками, примыкающими к токоподводам, увеличивающимися по высоте и ширине (SU 1800727) позволяет повысить стойкость к ударным нагрузкам. Однако общими недостатками получения индуктора обработкой резанием является трудоемкость изготовления многовитковой спирали из цельной заготовки, а также ее высокая стоимость, так как для этого требуется наличие высокоточных станков с ЧПУ.Also known are inductors manufactured by machining by cutting (SU 1800727; A.K. Talalaev. Inductors and installations for magnetic-pulse metal processing. - M .: STC "INFORMTEHNIKA", 1992 - 143 s, Fig. 4.5; V.A Glushchenkov Inductors for magnetic pulse processing Samara: Educational literature, 2013 - 148 s, Fig. 6.7). usually occurs between the first and second turns. Turned spiral with extreme turns adjacent to the current leads, increasing in height and width (SU 1800727) improves resistance to shock loads. However, the general disadvantages of obtaining an inductor by cutting are the laboriousness of manufacturing a multi-turn spiral from a solid workpiece, as well as its high cost, since this requires high-precision CNC machines.

Известны индукторы включающие выполнение токопроводящей спирали в виде единой плоской заготовки, которую формируют из соединенных перемычками токопроводящих пластин с отверстиями и пазами с последующей гибкой заготовки в местах перемычек (RU 2518038, RU 2465088). Недостатками такого решения является усложнение технологии изготовления при большом числе витков спирали. При этом значительно увеличатся габариты исходной плоской заготовки предполагающей вырезание сложного контура, а следовательно возрастет стоимость изготовления спирали.Known inductors include the implementation of a conductive spiral in the form of a single flat workpiece, which is formed from bridged conductive plates with holes and grooves, followed by a flexible workpiece at the jumpers (RU 2518038, EN 2465088). The disadvantages of this solution is the complication of manufacturing technology with a large number of turns of the spiral. At the same time, the dimensions of the original flat blank, which involves cutting out a complex contour, will significantly increase, and therefore the cost of manufacturing the spiral will increase.

Наиболее близким аналогом, является индуктор для обработки цилиндрических заготовок со сборной спиралью (RU 2257274), состоящей из набора последовательно электрически соединенных металлических дисков с изолирующими слоями, имеющих радиальный вырез в виде сектора с углом 120° от внутреннего отверстия до периферии собираемый предварительным осевым сжатием. Недостатком данного индуктора является техническая сложность обеспечения идеального стыка в месте соприкосновения витков при их соединении только за счет сил осевого сжатия, что может привести к образованию зазоров, наличие которых, даже при их минимальных размерах, может стать причиной нагрева во время подачи напряжения и снижения КПД индуктора.The closest analogue is an inductor for processing cylindrical billets with a prefabricated spiral (RU 2257274), consisting of a set of electrically connected metal disks in series with insulating layers, having a radial cut in the form of a sector with an angle of 120° from the inner hole to the periphery, assembled by preliminary axial compression. The disadvantage of this inductor is the technical complexity of ensuring an ideal joint at the point of contact of the turns when they are connected only due to axial compression forces, which can lead to the formation of gaps, the presence of which, even with their minimum dimensions, can cause heating during voltage supply and reduce efficiency. inductor.

Задачей заявляемого технического решения является получение индуктора с обеспечением высокой стойкости по упрощенной технологии его изготовления в условиях серийного и крупносерийного производства, а также удешевление стоимости производства.The objective of the proposed technical solution is to obtain an inductor with high resistance to a simplified technology of its manufacture in the conditions of serial and large-scale production, as well as to reduce the cost of production.

Поставленная задача решена применением конструкции со спиралью состоящей из отдельных сегментов в виде разрезных дисков с вырезанным сектором изогнутых в виток с постоянным шаговым расстоянием, а также токоподводов, приваренных к крайним сегментам, при этом согнутые витки из отдельных сегментов в виде разрезных дисков выполненных из листового металла с вырезанным сектором на угол 10…90° сварены друг с другом, сварные швы зачищены до шероховатости не грубее, чем поверхность витка, а спираль подвергнута термообработке отпуском. Стойкость индуктора можно повысить, приварив к свободным торцам крайних витков спирали дополнительные плоские половины разрезного диска с полным перекрытием вырезанного сектора из диска, тем самым закольцовывая их.The problem was solved by using a design with a spiral consisting of separate segments in the form of split discs with a cut-out sector bent into a coil with a constant step distance, as well as current leads welded to the extreme segments, while bent coils from individual segments in the form of split discs made of sheet metal with a cut sector at an angle of 10 ... 90 ° are welded to each other, the welds are ground to a roughness not rougher than the surface of the coil, and the spiral is subjected to heat treatment by tempering. The resistance of the inductor can be increased by welding to the free ends of the extreme turns of the helix additional flat halves of the split disk with a complete overlap of the cut sector from the disk, thereby looping them.

Достигнутым техническим результатом является универсальная конструкция индуктора со спиралью изготавливаемой по упрощенной технологии, обеспечивающей возможность легкого изменения ее осевых габаритов получая любую необходимую длину и облегчая производство индукторов больших диаметров при незначительном возрастании трудоемкости и затрат на изготовление с увеличением срока службы индуктора примерно на 20% при наращивании массы крайних витков.The achieved technical result is a universal design of the inductor with a spiral manufactured using a simplified technology, which makes it possible to easily change its axial dimensions, obtaining any required length and facilitating the production of large diameter inductors with a slight increase in labor intensity and manufacturing costs with an increase in the service life of the inductor by about 20% when building up masses of extreme turns.

Предлагаемая конструкция поясняется чертежами, где фиг.1 - отдельный виток спирали индуктора; фиг.2 - сварная спираль индуктора с токоподводами расположенными наружу; фиг.3 - сварная спираль индуктора с токоподводами, расположенными вовнутрь.The proposed design is illustrated by drawings, where Fig.1 - a separate coil of the coil of the inductor; figure 2 - welded spiral inductor with current leads located outside; figure 3 - welded spiral inductor with current leads located inside.

Спираль индуктора для магнитно-импульсной обработки трубчатых металлических заготовок собирается следующим образом. На круглых кольцевых заготовках, вырезанных из листового металла по числу витков спирали с обточенными наружными и внутренними фасками, вырезают сектор, соответствующий 10…90°, определяемый межвитковым расстоянием и удобством проведения сварки. При малых межвитковых расстояниях предпочтительнее использовать большие углы вырезанного сектора и наоборот. Затем разгибают концы, образуя идентичные витки с одинаковым шаговым расстоянием, зависимым от мощности индуктора и габаритов обрабатываемых деталей (фиг.1). Обточив на кромках витков 1 скосы, их соединяют в спираль и сваривают встык (фиг.2, 3), зачищая в последующем сварные швы 2 и выравнивая их заподлицо с поверхностями витков во избежание появления концентраторов электрического сопротивления. К готовой спирали приваривают токоподводы 3, направленные наружу для индукторов, работающих по схеме «обжима» (фиг.2), или вовнутрь для индукторов, работающих по схеме «раздачи» (фиг.3). Далее проводят термообработку готового индуктора отпуском для снятия остаточных напряжений после сварки по режиму зависящему от марки материала спирали. Рекомендуемые стали для изготовления спирали индуктора: Ст.3, сталь 08кп, сталь 45, сталь 03Н18К9М5ТЮ-ВИ (ЧС4-ВИ). Особенностью конструкции является открытое с двух сторон межвитковое пространство, соответственно возможно изолирование витков 1 любым известным способом, например, бандажированием тороидной навивкой.The inductor spiral for magnetic-pulse processing of tubular metal blanks is assembled as follows. On round annular blanks cut from sheet metal according to the number of turns of the spiral with turned outer and inner chamfers, a sector is cut out corresponding to 10 ... 90 °, determined by the inter-turn distance and the convenience of welding. At small interturn distances, it is preferable to use large angles of the cut sector and vice versa. Then the ends are unbent, forming identical turns with the same step distance, depending on the power of the inductor and the dimensions of the workpieces (figure 1). Having turned the bevels on the edges of the turns 1, they are connected into a spiral and butt-welded (figure 2, 3), subsequently cleaning the welds 2 and aligning them flush with the surfaces of the turns to avoid the appearance of electrical resistance concentrators. Current leads 3 are welded to the finished spiral, directed outward for inductors operating according to the “crimping” scheme (figure 2), or inward for inductors operating according to the “distribution” scheme (figure 3). Next, heat treatment of the finished inductor is carried out by tempering to relieve residual stresses after welding according to the mode depending on the grade of the spiral material. Recommended steels for the manufacture of the inductor coil: St.3, steel 08kp, steel 45, steel 03N18K9M5TYu-VI (ChS4-VI). A feature of the design is the interturn space open on both sides, respectively, it is possible to isolate the turns 1 by any known method, for example, by bandaging with a toroid coil.

Для увеличения стойкости индуктора и снижения нагрузки на межвитковую изоляцию крайних дисков один из предварительно вырезанных дисков разрезается пополам на две равные части, которые привариваются к крайним виткам 1 в спирали, закольцовывая их и увеличивая массу крайних витков 1.To increase the resistance of the inductor and reduce the load on the interturn insulation of the extreme disks, one of the pre-cut disks is cut in half into two equal parts, which are welded to the extreme turns 1 in the spiral, looping them and increasing the mass of the extreme turns 1.

Таким образом, основной элемент индуктора - токопроводящая спираль представляет собой цельную неразъемную цилиндрическую конструкцию сваренную в стык со скосом кромок из отдельных одинаковых витков 7, форма поперечного сечения которых может быть различной, с межвитковым расстоянием, подбираемым по габаритам обрабатываемой заготовки и мощности индуктора. Толщина витков 7 выбирается исходя из необходимой жесткости спирали, а диаметр зависит от максимально допустимой энергии, необходимой для деформирования заготовки. К крайнему витку 7 приварены токоподводы 3, которые направлены от центра спирали при размещении заготовки внутри индуктора (деформирование «обжимом») или к центру спирали при размещении полой заготовки снаружи индуктора (деформирование «раздачей»). Сварные швы 2 не влияют на характер течения тока через индуктор, который полностью идентичен индукторам, изготавливаемым механической обработкой резанием без появления дополнительных сопротивлений.Thus, the main element of the inductor - a conductive spiral is a one-piece one-piece cylindrical structure welded in a butt joint with a beveled edge from separate identical turns 7, the cross-sectional shape of which can be different, with an interturn distance selected according to the dimensions of the workpiece being processed and the power of the inductor. The thickness of the turns 7 is selected based on the required rigidity of the helix, and the diameter depends on the maximum allowable energy required to deform the workpiece. Current leads 3 are welded to the extreme turn 7, which are directed from the center of the spiral when the workpiece is placed inside the inductor (deformation by "crimping") or to the center of the spiral when the hollow workpiece is placed outside the inductor ("deformation" by expansion). Welds 2 do not affect the nature of the current flow through the inductor, which is completely identical to inductors manufactured by machining without the appearance of additional resistance.

Преимуществами предлагаемой конструкции перед известными аналогами является упрощение технологии изготовления спирали больших габаритных размеров по высоте и диаметру, т.к. она изготавливается из отдельных сегментов, а не обрабатывается целиком. Индуктор обладает универсальностью применения за счет варьирования разностью диаметров спирали, ее материалом и межвитковым расстоянием. Также увеличивается стойкость индуктора при закольцовывании крайних витков 7, что подтверждено опытными данными.The advantages of the proposed design over known analogues is the simplification of the technology for manufacturing a spiral of large overall dimensions in height and diameter, because it is made from individual segments, and not processed as a whole. The inductor has the versatility of application by varying the difference in the diameter of the spiral, its material and the interturn distance. Also, the resistance of the inductor increases when looping the extreme turns 7, which is confirmed by experimental data.

Конкретный пример реализации технологии изготовления сварной спирали осуществлен для индуктора из стали 03Н18К9М5ТЮ-ВИ (ЧС4-ВИ) состоящего из семи витков наружным диаметром 185 мм и внутренним 145 мм. Толщина одного витка 6 мм. Данный индуктор показал стойкость более 16000 циклов при энергии 10 кДж.A specific example of the implementation of the technology for manufacturing a welded coil was carried out for an inductor made of steel 03N18K9M5TYU-VI (ChS4-VI) consisting of seven turns with an outer diameter of 185 mm and an inner diameter of 145 mm. The thickness of one turn is 6 mm. This inductor showed durability of more than 16,000 cycles at an energy of 10 kJ.

Таким образом, предложенное решение по конструкции спирали индуктора, получаемой методом сварки, с усилением и закольцовыванием крайних витков показало высокую надежность индуктора при упрощении технологии его изготовления и уменьшении стоимости.Thus, the proposed solution for the design of the inductor spiral, obtained by welding, with reinforcement and looping of the extreme turns, showed the high reliability of the inductor while simplifying its manufacturing technology and reducing the cost.

Claims

1. An inductor for magnetic-pulse processing of hollow cylindrical blanks with a spiral consisting of separate segments in the form of split disks with a cut-out sector, bent into a coil with a constant step distance, as well as current leads welded to the extreme segments, characterized in that the bent coils are made of separate segments in the form of split discs made of sheet metal with a sector cut out at an angle of 10 ... 90 ° are welded to each other, the welds are ground to a roughness no coarser than the surface of the coil, and the spiral is subjected to heat treatment by tempering.

2. The inductor according to claim 1, characterized in that additional flat halves of a split disk are welded to the free ends of the extreme turns of the spiral with a complete overlap of the cut sector from the disk.