- Холодная и горячая Прокатка
- Волочение и экструзия
- Прессование и штамповка
- Резка и сверление
- Сварка, клепка и выполнение резьбовых соединений
Несмотря на большой объем исследовательских и экспериментальных работ, практическое применение ЭПЭ затруднено из-за противоречий при описании физических процессов, объясняющих ЭПЭ. В работе [3] проведен критический анализ популярных теорий ЭПЭ, включая тепловую и теорию «электронного ветра». В ней предложена теория ЭПЭ, основанная на формировании в металле механических колебаний за счет импульсных токов при электроимпульсном воздействии. При таком механизме важную роль имеет именно генерируемая вибрация металла. Такая вибрация может не только определять ЭПЭ, но и приводить к таким побочным явлениям как вибрационная усталость или фреттинг, а также быть эффективным средством мониторинга происходящих процессов, как будет видно из представленных ниже исследований.
Действие вибрации, в большинстве случаев, рассматривается как негативный влияющий фактор [4] поскольку она может приводить к снижению надежности из-за проявления вибрационной усталости. При обработке металлов давлением с применением ЭПЭ вибрационные процессы играют ключевую роль. Они не только обеспечивают получение значимых преимуществ, но и, вероятно, являются основным физическим механизмом, который делает ЭПЭ эффективным. Практическое применение технологий с использованием ЭПЭ требует анализа методов вибракустического контроля физических процессов электропластичности.
Методы исследования
Некоторые примеры структуры прокатного оборудования с использованием ЭПЭ показаны на рисунке 1. Увеличение деформируемости наблюдается при различных вариантах задания внешнего электроимпульсного воздействия. Такое оборудование ориентировано на практическое использование, но не на проведение самого явления электропластиичности из-за отсутствия развитой системы первичных измерительных преобразователей, обеспечивающих контроль электрических, механических, тепловых и акустических сопутствующих физических процессов. Без такого контроля затруднительно сделать обоснованные выводы о механизмах электропластичности. В основном в этих случаях выводы делают по результатам исследования обрабатываемого металла уже после обработки с использованием ЭПЭ. Этот подход позволяет сравнить, например, различные способы подачи электрических импульсов на заготовку, но большое количество влияющих факторов и вариантов возможных реализаций затрудняют понимание и поиск оптимальных решений.
Рисунок 1. Прокатка заготовки 1 со скоростью v между валками 2 с применением ЭПЭ. Область локальной деформации 3 и область распространения электрического тока с плотностью J определяется расположением контактов 4, которые соединены с источником электрических импульсов 5.
Для упрощения решения задачи по исследованию электропластических эффектов можно использовать стенд, предназначенный для изучения реакции заготовки на воздействие электрического импульса. Этот стенд представлен на рисунке 2. Здесь не задано внешнее статическое нагружение. Контроль физических процессов осуществляется с помощью различных датчиков. Для измерения температуры используется инфракрасный пирометр (ИКП), который позволяет точно определить температурные параметры. Магнитное поле измеряется бесконтактным датчиком Холла, который фиксирует магнитную индукцию в нескольких направлениях (ДМП). Кроме того, применяются трехкомпонентные высокочастотные малогабаритные пьезоэлектрические акселерометры (ПА1-ПА3), которые контролируют вибрационные ускорения и перемещения в различных точках проводника. Анализ ускорений и перемещений, полученных в результате двойного интегрирования сигналов, позволяет оценить формы колебаний исследуемого проводника, возникающие в ответ на воздействие электрического импульса. Это дает возможность детально изучить динамические характеристики проводника и его реакцию на внешние стимулы.
Для контроля возникающих динамических сил структура стенда может быть дополнена датчиками динамических сил, например, 6200 B&K. Применение инфракрасных пирометров обеспечивает контроль быстрых изменений температуры поверхностных слоев с высоким разрешением по температуре (порядка 0,01-0,1С). В случае воздействия одиночных электрических импульсов малой длительности температурные изменения поверхности образца превышают единицы градусов. Такие значения не могут оказать заметного влияния на процессы электропластичности, что подтверждает теоретические выводы, изложенные в [3]. Поскольку типовые датчики физических величин, использованные при таких исследованиях, имеют время отклика порядка 10 микросекунд, для синхронного ввода сигналов в компьютер можно использовать модуль сбора данных NI USB с частотой дискретизации 1-2,4 КГц.
Рисунок 2. Стенд для исследования физических процессов в проводнике при электроимпульсном воздействии
Наиболее распространенным методом исследования процессов электропластичности в проводниках является использование диаграмм деформации, получаемых с использованием машин нагружения. Структура стенда для таких исследований показана на рисунке 3(а). На рисунке 3(б) приведен пример получаемой диаграммы деформации. Воздействие каждого электрического импульса в этом случае сопровождается появлением скачка на диаграмме. Эту особенность и изменения хода диаграммы при воздействии электрических импульсов многие исследователи используют для изучения электропластического эффекта. Само образование скачков механических напряжений на диаграммах нагружения при ЭПЭ в настоящее время не получило однозначного объяснения и часто связывают с тепловым воздействием [5].Как уже было отмечено, тепловое действие одиночных импульсов незначительно и, при проведении исследований может быть нивелировано добавлением в структуру стенда, показанную на рисунке 3(а) дополнительного кондиционера. Тепловой механизм образования скачков напряжений противоречит не только теоретическим выводам [3], но и анализу формы таких скачков, поскольку максимальное проявление механического действия на материал образца заметно «опережает» момент максимального тока от действия электрического импульса, а следовательно и теплового действия этого тока.
Рисунок 3. а) - стенд для исследования физических процессов в металле при испытании образца на растяжение; б) – диаграмма со скачками деформирующего усилия, вызванных электрическими импульсами тока
Экспериментальные данные и их анализ
Приведенное замечание подтверждается, например, представленными на рисунке 4 изменениями величины кольцевой BC и продольной BK магнитной индукции, и вибрации в радиальном направлении aR. Вибрационный отклик возникает в моменты начала фронтов электрического импульса и практически завершается к моменту достижения токового отклика максимального значения.
Рисунок 4. Магнитная индукция 1 и 2, а также виброперегрузка 3 для образца из титана диаметром 3 мм
Сравнительно медленно затухающий виброакустический отклик в металле на воздействие электрического импульса позволяет оптимизировать влияние на микроструктурные изменения усиливая трансформации микроструктуры при обработке, в том числе , например, на счет залёживания микротрещин, за счет усиления вибрационного отклика. При эксплуатации , например , электроэнергетического оборудования с широтно-импульсной модуляцией, минимизация такого виброакустического отклика может обеспечивать повышение надежности за счет снижения вибрационной усталости электропроводящих элементов.
Контроль виброакустического отклика в проводящих элементах мощных генераторов, двигателей и трансформаторов может использоваться для контроля качества их сборки, когда изоляционные покрытия не позволяют выполнить такой контроль с использованием механических внешних ударных воздействий.
Для контроля вибрационного отклика можно использовать аппаратурные виброизмерительные средства как универсального, так и специализированного назначения. На рисунке 5 представлен внешний вид виброизмерительного контроллера, ориентированного на стандарты промышленного интернета вещей (IIoT). Такой контроллер обеспечивает сбор сигналов с высокочастотных датчиков вибрации – акселерометров, имеющих интерфейс IEPE, бесконтактных проксиметров и датчиков магнитного поля, а также индукционных и лазерных таходатчиков. Контроллер также поддерживает подключение цифровых датчиков температуры и магнитного поля с интерфейсами I2C и RS-232 или RS-485. Связь с внешней компьютерной сетью выполняется по этим цифровым интерфейсам или по интерфейсам USB или Ethernet. Аналого-цифровое преобразование выполняется с использованием встроенного многоканального параллельного АЦП с разрешением 24 бит и частотой дискретизации до 100 КГц для каждого из каналов измерения.
На рисунке 6 представлены данные о вибрационных перемещениях D1A и D2A в продольном направлении для двух контрольных точек по длине образца. Эти данные включают как период действия электрического импульса, начиная с момента t0 до его завершения в момент t1, так и последующий временной интервал. Видно, что во время действия электрического импульса колебания происходят синфазно, а после окончания импульса колебания переходят в противофазные. Это свидетельствует о наличие общей осевой силы в осевом направлении, действующей на материал проводника до момента перехода к свободным затухающим колебаниям. Кроме того, амплитуда и продолжительность свободных колебаний существенно больше, чем динамические вибрации во время t1-t0 активного воздействия электрического импульса как показано на рисунке 6. Распространение свободных колебаний в материале проводника может на несколько порядков превышать длительность электрического импульса. Продолжительное вибрационное воздействие обеспечивает влияние на деформируемый материал даже коротких электрических импульсов `с большими интервалами между ними, что определяет высокую энергетическую эффективность ЭПЭЮ особенно в случае необходимого фазирования получаемых вибрационных откликов [6].
Рисунок 5. Динамические перемещения в осевом направлении для сигналов осевого ускорения двух датчиков, установленных в разных местах образца из меди диаметром 4 мм
Рисунок 6. Отклик по вибрационным перемещениям для испытываемого образца из стали диаметром 3 мм
Формирование разъемных и неразъемных соединений деталей, в том числе при реализации процессов электроимпульсной сварки.
Применение электропластичности при реализации процессов обработки металлов, связанных с удалением части металла (резка, сверление и т.п.) позволяет увеличить скорости обработки и улучшить свойства металлов и сплавов в близи локальной области обработки, например, уменьшить величину остаточных напряжений.
Эффективногсть применения явления электропластичности при обработке материалов с порошковой и пористой структурой открывает хорошие перспективы использования при разработке аддитивных технологий.
Вибрационный мониторинг техники [7] — ключевой метод обеспечения надежной работы технических систем ТЭК в нефтегазовой и электроэнергетической отраслях. В частности диагностика такого оборудования является эффективным методов предотвращения незапланированных простоев [8], приводящих к значительным экономическим и репетиционным потерям.
Рисунок 7. Внешний вид платы вибрационного IIoT контроллера
Для получения оптимального эффекта от проявления электропластичности выбор параметров электрических импульсов должен учитывать фазовые соотношения сигналов вибрационного отклика [9]. Эту задачу можно решить с использованием как серийных промышленных компьютеров и контроллеров, или специализированных виброизмерительных контроллеров с использованием IIoT технологии. Пример такого контроллера представлен на рисунке 7. Контроллер осуществляет сбор и синхронизированную обработку данных с 4-8 каналов аналоговых датчиков, таких как акселерометры с интерфейсом IEPE или датчики с интерфейсами 0-20 мА, с частотой дискретизации до 100 кГц и разрешением до 24 бит. Также он поддерживает работу с цифровыми датчиками температуры, магнитного поля и другими аналогичными устройствами. Контроллер может поддерживать связь с внешними устройствами по различным интерфейсам: RS-232, I2C, USB, Ethernet.
Применение технологии электропластичности в производстве электрического оборудования обладает значительным потенциалом для повышения экономичности и улучшения механических свойств поверхностного слоя деталей. Это особенно актуально для альтернативной и возобновляемой энергетики, где широко используются инверторные преобразователи с большими импульсными токами.
Заключение
- Практическое применение явления электропластичности при изготовлении, обработке, сборке изделий из металлов может быть одним из наиболее перспективных направлений повышения энергоэффективности и производительности труда благодаря простоте реализации, обеспечения управляемости процессами обработки металлов в таких областях как энергетика, электротехническое и транспортное машиностроение и. т.д.
- Современные исследования в области физики электропластичности металлов позволяют глубже понять механизмы управления их пластичностью и микроструктурой. Эти принципы аналогичны тем, что применяются в таких технологических методах, как ковка, ультразвуковая и вибрационная обработка, а также термообработка. Все эти методы обладают рядом технологических преимуществ.
- Внедрение методов, основанных на электропластичности часто, может быть реализовано путем простой модернизации существующего оборудования, что позволяет избежать длительной и дорогостоящей полной замены оборудования.
- Применение виброакустического мониторинга при реализации технологических процессов с использованием явления электропластичности позволяет динамически контролировать изменения свойств материалов и обрабатываемых заготовок, адаптивно оптимизируя такие процессы.
Литература
1. Троицкий О.А., Сташенко В.И., Савенко В.С., Скворцов О.Б., Самуйлов С.Д., Правоторова Е.А., Терещук В.С. Воздействия импульсами тока и СВЧ- изучением на конструкционные материалы. Электродинамические и электрохимические эффекты в проводниках // М.: Издательство «Ким Л.А.», 2019 — 278 с.
2.Троицкий О.А., Сташенко В.И., Скворцов О.Б., Савенко В.С., Самуйлов С.Д., Терещук В.С., Зайцев С.В., Иванов А.М. Интенсивная пластическая деформация металла при токовых и СВЧ - воздействиях. Новые данные и закономерности // Изд-во КИМ Л.А., М.: 2020. - 342 с.
3. Theory of electroplasticity based on electromagnetic induction
4. Исследование вибраций и их гашения в современных металлах и сплавах / Ю. С. Дубинов, О. Б. Дубинова, М. С. Танасенко, А. Н. Дудкина // Деловой журнал Neftegaz.RU. – 2023. – № 8(140). – С. 120-125.
5. Stolyarov, V. V. Stress jump behavior during tensile deformation assisted by pulsed current / V. V. Stolyarov // Letters on Materials. – 2024. – Vol. 14, No. 3(55). – P. 236-242. – DOI 10.48612/letters/2024-3-236-242.
6. Патент RU № 2845944 БИ №25 28.08.2025 / Скворцов О.Б., Сташенко В.И. Способ механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта.
7. Маньков, Д. Р. Система мониторинга оборудования объектов нефтегазовой отрасли с применением средств вибродиагностики / Д. Р. Маньков, О. В. Лазарева // Перспективы развития, совершенствования и автоматизации высокотехнологичных производств : Материалы XIV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иркутск, 24–26 апреля 2024 года. – Иркутск: Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2024. – С. 218-221.
8. Воронин, А. Непрерывный вибромониторинг оборудования. Решения для предотвращения незапланированных простоев / А. Воронин // Деловой журнал Neftegaz.RU. – 2020. – № 8(104). – С. 74-76.
9, Патент РФ № 2845944 C1, МПК B23P 25/00, C21D 8/00, B21B 9/00. БИ №25 2025.
