4.3. Магнитно-импульсная обработка материалов
4.3.1. Физическая сущность магнитно-импульсной обработки
Магнитно-импульсная обработка материалов основана на использовании электродинамических сил, которые в импульсных режимах могут достигать гигантских значений. Если давления, создаваемые электродинамическими силами, превышают предел прочности, то происходит деформация заготовки Этот процесс часто называют магнитной штамповкой.
При магнитно-импульсной обработке происходит преобразование электрической энергии, накопленной в конденсаторной батарее, при разряде на индуктор или непосредственно на заготовку в энергию импульсного магнитного поля, совершающего работу деформирования электропроводной заготовки.
Известно, что на единицу длины проводника с током I, помещенном в магнитное поле с напряженностью Н, действует сила
,
(4.1)
где 0 = 4107 Гн/м магнитная постоянная; магнитная проницаемость окружающей среды.
Магнитное поле, воздействующее на проводник с током, может быть создано током, протекающим в другом проводнике. Величина напряженности магнитного поля в пространстве вокруг проводника с током может быть определена из закона полного тока
,
(4.2)
где l контур интегрирования.
На расстоянии r от уединенного проводника
,
(4.3)
В случае бесконечно тонких прямых проводников, расположенных на расстоянии r друг от друга, электродинамическая сила, действующая на единицу длины проводников,
.
(4.4)
Направление силы зависит от направления токов I1 и I2 в проводниках: при одинаково направленных токах проводники притягиваются друг к другу, при противоположно направленных отталкиваются.
Для двух бесконечно тонких шин шириной a, расположенных на небольшом расстоянии (r<<a) друг от друга, напряженность магнитного поля в объеме между шинами без учета краевых эффектов равна
.
(4.5)
Давление магнитного поля на шины численно равно удельной плотности энергии поля
.
(4.6)
Если толщина шин имеет конечную величину, то из-за эффекта близости и поверхностного эффекта ток по сечению шин распределяется неравномерно.
Поэтому при расчете распределения силы или давления по толщине обрабатываемой заготовки и для определения индуктивности системы следует использовать не геометрическое расстояние r, а некоторое эквивалентное расстояние
,
(4.7)
где
глубина проникновения электромагнитного
поля в материал шин;
удельное электрическое сопротивление
материала шин;
круговая частота тока.
Известно, что в проводящем теле, расположенном вблизи проводника с переменным током, возникают вихревые токи. Взаимодействие тока в проводнике с наведенным в теле (заготовке) током сопровождается появлением отталкивающей силы
,
(4.8)
где dl/dx изменение индуктивности системы проводник-заготовка в направлении х, перпендикулярном поверхности проводника.
Среднее давление на проводник и заготовку равно силе F, деленной на площадь проводника S.
Величина давления на заготовку толщиной может быть определена по формуле (13.6), если электромагнитное поле не проникает сквозь заготовку (<<). В случае проникновения поля () давление определяется разностью удельных плотностей энергии на поверхностях заготовки.
.
(4.9)