Магнитно-импульсные технологии в металлообработке

Говоря о цикличности с точки зрения не философской, а практической, люди чаще всего вспоминают моду и что‑то более приземлённое, но точно не технологии. Потому что, казалось бы, они должны двигаться только вперёд. Но, на самом деле, именно взгляд в прошлое иногда становится стимулом для появления новинок, полезных для нашего времени и современной промышленности. Например, к этой категории можно отнести магнитно-­импульсные технологии (МИТ) обработки металлов, впервые открытые более полувека назад.

МИТ опередили своё время?

Впервые профильное оборудование для работы с трубчатыми объектами продемонстрировали специалисты американской компании — ­производителя военной и аэрокосмической техники General Dynamics Corp. в 1958 году на женевской выставке по мирному использованию атомной энергии. Новой технологии ещё было куда расти, но она уже вызвала значительный интерес у промышленников во всём мире.

По данным на официальной странице кафедры МТ6 «Технологии обработки давлением» МГТУ им. Н. Э. Баумана, в 1961 году вышел отчёт учёного Юрия Бочарова о его стажировке в Калифорнийском университете (Беркли). После своей поездки исследователь вплотную стал изучать вопрос применения сильных магнитных полей для пластического деформирования металлов.

Вскоре к нему присоединился инженер Аркадий Легчилин, который помогал коллеге в создании первых советских магнитно-­импульсных установок и экспериментах с ними. Эта работа вдохновила и других советских учёных — через некоторое время в исследованиях отметился Станислав Колесников.

Он внёс значительный вклад в разработку магнитно-­импульсной штамповки металлов: разработал методики оптимального проектирования трубчатых соединений и расчёта прочности индукторов магнитно-­импульсной обработки. К тому моменту, как отметил в нескольких своих интервью представитель Самарского университета им. С. П. Королёва Дмитрий Черников, 42 советских предприятия стали работать с магнитно-­импульсными технологиями.

Однако к концу 1980‑х интерес к ним начал спадать. По данным из открытых источников можно сделать несколько выводов о том, почему это произошло. Во-первых, технология в тот период стала более требовательной: для воплощения в жизнь некоторых промышленных задумок требовались более сложные схемы управления и системы высоковольтной электроники, что значительно её удорожало.

К тому же стали возникать сложности в обработке деталей с отверстиями или пазами и большой толщины. А после 1991 года последовал развал, упадок многих отраслей, и, казалось, технология ушла в небытие.

Однако спустя несколько лет, после серьёзной просадки потребления алюминия на душу населения в 1994 году, материал вернулся в обиход. По данным Алюминиевой ассоциации, к 2000 году объём экспорта алюминия из РФ подскочил в шесть раз. Это дало толчок для создания новых сплавов, свой­ства которых выгодно проявились как раз при использовании магнитно-­импульсных технологий. Неудивительно, что инструменты для их реализации не забросили, а стали совершенствовать, адаптируя к потребностям современного рынка.

Физика процесса

Этой теме уделили внимание участники заседания комитета по литейному и кузнечно-­прессовому производствам на деловой программе выставки «Металл-­Экспо‑2024». Докладчик, научный руководитель лаборатории «Прогрессивные технологические процессы пластического деформирования», доцент кафедры обработки металлов давлением (ОМД) СГАУ, канд. техн. наук Дмитрий Черников объяснил физику импульсного метода пластического формообразования и принципы работы профильного оборудования.

В основе метода — высокоскоростные процессы с применением энергии взрывчатых веществ, электрических разрядов, импульсных электромагнитных полей. Скорость деформирования в них может достигать 300–400 м/с, за счёт чего время силового воздействия на заготовку снижается. В итоге риск повреждения металла или изменения его свой­ств минимален.

Как это происходит? Батарея конденсаторов заряжается до высокого уровня напряжения (в десятки киловольт) и с помощью разрядника, который удерживает эти огромные токи, коммутирует цель. По токопроводу протекает импульсный ток, образуя магнитное поле. И, как только его пересекает материал заготовки с достаточной электропроводимостью, в ней индуцируются кривые токи противоположного направления. Возникают объёмные электродинамические силы отталкивания (сила Лоренца), которые разгоняют заготовку. В ходе этого высокоскоростного соударения о полость матрицы изделие принимает нужную форму.

Этот способ, как и родственные технологии (штамповка взрывом и электрогидроимпульсная обработка материалов), обладает целым рядом преимуществ:

• высокая точность дозирования энергии;
• отсутствие среды, передающей давление на заготовку;
• локальность нагружения и возможность управления распределением его интенсивности;
• экологическая чистота процесса;
• улучшение характеристик обрабатываемого материла;
• высокая производительность;
• возможность лёгкой механизации и автоматизации процесса;
• универсальность и мобильность оборудования, простота обслуживания, возможность встраивать его в работающие линии и др.

От калибровки и разделения до сборки и сварки

Казалось бы, на списке преимуществ доклад можно завершить. Но исследователи проработали несколько схем этого процесса, чтобы дать промышленникам возможности для более широкого внедрения метода.

«Принципиально возможны три технологические схемы. При схеме „на раздачу”, которая применяется для обработки трубчатых заготовок, индуктор помещают внутрь трубы. Схема „на обжим” — это когда, наоборот, трубу размещают внутри индуктора. А „плоская” предназначена для деформирования листовых, плоских заготовок. Вот эти три схемы определяют те операции, которые можно совершать при помощи данной технологии.

Сейчас наш Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва разработал целый комплекс профильных операций. Их можно классифицировать на формообразующие, калибровочные, разделительные, сборочные и сварочные», — рассказал Дмитрий Черников.

Формообразующие операции применяют для формовки рифтов, конусов, переходников, фланцев, для отбортовки отверстий и оболочки двой­ной кривизны. Эти процессы можно найти в автомобильной отрасли.

«В отличие от традиционных технологий, в процессе штамповки по такому методу практически не возникает „пружинения” (изменения параметров листовых штампов и изделий по сравнению с размерами, заданными инструментом), что гарантирует более высокое качество. Кроме того, не происходит деформирующего контакта инструмента с заготовкой, что позволяет обрабатывать детали с уже нанесёнными покрытиями.

Также к преимуществам можно отнести простоту технологической оснастки и минимальную металлоёмкость при высокой производительности процесса», — объяснил Дмитрий Черников.

Такой операцией, как калибровка, очень интересуются авиационные и ракетно-­космические предприятия, уточнил докладчик. Это обусловлено тем, что способы гидроформовки или механической откатки ролика не дают необходимой высокой точности (окружности) для последующей сварки в полуавтоматическом и автоматическом режимах. А магнитно-­импульсные методы обеспечивают нужные характеристики.

«Особенно актуальна эта технология для калибровки сифонов, в частности многослойных и из разных материалов. Например, сегодня мы ведём работу на четырёхслойных сифонах. Также эта практика применима для различных крутоизогнутых патрубков, к которым среди прочего можно отнести трубопроводные системы летательных аппаратов», — уточнил Дмитрий Черников.

Однако формообразование не всегда предполагает наращивание или деформацию, иногда деталь образуется за счёт отсечения лишних сегментов. Поэтому сегодня выведен и такой класс операций, как разделительные. По словам докладчика, если при высокоскоростном соударении в процессе будет действовать режущая кромка, то произойдёт разделение материала.

«Этот тип операций может применяться для резки труб на мерные длины, на этапе обрезки припусков или пробивки отверстий, вырубки сложного контура с высокой точностью», — перечислил научный руководитель лаборатории.

Сборочные операции, как понятно из их названия, позволяют осуществлять сборочные, неразъёмные, герметичные соединения между разнородными металлами. И даже, подчёркивает докладчик, между металлами и неметаллами, как, например, соединение алюминиевой трубы с углепластиком. Преимущество магнитно-­импульсных технологий в этих операциях в том, что переходное сопротивление на порядок ниже, чем при использовании традиционной гексагональной опрессовки.

Магнитно-­импульсная сварка позволяет создать неразъёмные соединения между теми парами материалов, которые сложно «объединить» при помощи традиционных видов сварки (в частности, жидкофазной) или плавления. К таким комбинациям материалов относятся алюминий со сталью или медь со сталью. Но, в отличие от презентации других методик, в случае этой операции учёный сразу отметил ограничение: площадь одного шва небольшая (обычно для трубчатых изделий это 3‒5 мм), зато его качество очень высокое.

Скорость деформирования заготовки в процессе магнитно-­импульсной обработки может достигать
300–400 м/с, за счёт чего время силового воздействия уменьшается, снижая риск повреждения металла или изменения его свой­ств.

Новые возможности

Эти технологии не реализовать без профильного оборудования, поэтому в финале своего доклада Дмитрий Черников рассказал о вкладе лаборатории и университета в разработку необходимых устройств.

Например, учёные создали опытный образец роботизированной производственной ячейки магнитно-­импульсной обработки на примере операции сборки алюминиевой трубки и стальной втулки. Им удалось «подружить» установку с коллаборативным роботом. Такой тандем может работать 24/7 как под контролем оператора, так и полностью автоматически, пояснил научный руководитель лаборатории.

Останавливаться на этом исследователи не собираются. Команда планирует разработать гибридную установку, которая могла бы послужить и для магнитно-­импульсной, и для электрогидроимпульсной обработки. Это позволит нивелировать одну из слабостей МИТ — зависимость от электропроводности материала заготовки.

«Медь и алюминий, а также их сплавы и некоторые виды сталей являются для нас технологичными материалами. Но вот нержавеющие стали и титановые сплавы нам пока затруднительно обрабатывать. Добавление в процесс электрогидроимпульсных технологий позволит снять эти ограничения, потому что ударной волне жидкости всё равно, какой материал деформировать.

Мы работаем над достижением этой универсальности: если подключил индукторы, можно работать с МИТ, а два электрода с камерой — с электроимпульсными технологиями», — поделился планами Дмитрий Черников.

Повышение функциональности устройств помогло бы и в расширении областей применения магнитно-­импульсных технологий. Уже сейчас Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва совместно с Самарским государственным техническим университетом проводит опытные работы в области литейного, сварочного и аддитивного производств.

В первом случае идёт работа над физическими методами обработки расплавов. В сварочном направлении учёные улучшают параметры шва, полученного при помощи магнитно-­импульсных технологий, в частности снижают пористость и перераспределяют остаточное напряжении.

В сегменте аддитивных технологий исследователи выбрали для работы WAAM технологии — 3D-печать металлическими изделиями, основанную на методе дуговой сварки. Серия импульсов, воздействующих при подаче проволоки и при наплавке вокруг сварочной головки, должна повысить механические характеристики заготовки.