NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các THÔNG số CÔNG NGHỆ đến NĂNG LƯỢNG QUÁ TRÌNH dập XUNG điện từ

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN
NĂNG LƯỢNG QUÁ TRÌNH DẬP XUNG ĐIỆN TỪ
STUDY THE INFLUENCE OF TECHNOLOGY PARAMETERS
TO ENERGY ELECTROMAGNETIC FORMING
Lại Đăng Giang
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội

TÓM TẮT
Dập xung điện từ là quá trình dập tốc độ cao sử dụng lực từ tác dụng lên bề mặt phôi tạo
ra bởi nguồn năng lượng của thiết bị - năng lượng dập xung điện từ. Năng lượng này phụ
thuộc vào các thông số công nghệ hệ "Thiết bị - dụng cụ - phôi". Trong bài báo sử dụng lý
thuyết quy hoạch thực nghiệm Box - Dray để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến năng lượng quá trình dập xung điện từ và đưa ra sự phụ thuộc của năng lượng xung
từ vào các thông số công nghệ của hệ "Thiết bị - dụng cụ - phôi".
Từ khóa: dập xung điện từ, nguồn năng lượng thiết bị, số vòng dây, tần số thiết bị.
ABSTRACT
Electromagnetic (EM) forming is a high-speed forming process that uses the forces
induced on a conductive workpiece by energy of equipmet - energy electromagnetic forming.
This energy depends on the technological parameters of the "equipmet - inductor - blank". In
the paper uses experimental planning theories Box - Dray to study the influence of
technological parameters to the energy produced by electromagnetic forming process and
dependence of energy electromagnetic forming on the technological parameters of the
"equipmet - inductor - blank".
Keywords: electromagnetic forming, energy of equipment, the number coil of the
inductor, equipmet frequency.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Công nghệ dập tạo hình chi tiết bằng phương pháp dập xung điện từ là một quá trình
biến đổi vật lý phức tạp bao gồm cả sự hình thành lực điện từ (gây ra biến dạng) và sự biến
đổi cơ học của phôi (phôi bị biến dạng). Sơ đồ nguyên lý của quá trình dập bằng xung điện từ

được chỉ ra trên hình 1.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý quá trình dập bằng xung điện từ
1-thiết bị tạo cung từ; 2-tụ điện; 3-bộ phóng điện; 4-vòng cảm ứng;
5-hệ thống điều khiển; 6-máy biến thế; 7-điốt; 8-phôi
495


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Khi dòng điện chạy trong vòng cảm ứng và phôi cùng chiều hoặc ngược chiều nhau làm
xuất hiện lực cảm ứng từ đẩy hoặc hụt sẽ gây ra sự biến đổi cơ học của phôi hay chính là quá
trình biến dạng tạo hình phôi.
Việc hình thành lực cảm ứng từ gây biến dạng phôi phụ thuộc nhiều vào năng lượng của
thiết bị cung cấp. Theo [4], năng lượng của thiết bị cung cấp cần thiết cho quá trình biến dạng
phôi được xác định theo công thức:

I p2 ⋅ L p
W=
+ M p − cu ⋅ I cu ⋅ I cu
2
Trong đó:
M p-cu - hỗ cảm giữa phôi và vòng cảm ứng phụ thuộc vào
L p - độ tự cảm của phôi;
I p , I cu - dòng điện chạy qua phôi và vòng cảm ứng.
Đại lượng hỗ cảm M p-cu phụ thuộc vào đặc tính của phôi và vòng cảm ứng cũng như
khe hở giữa phôi và vòng cảm ứng. Các giá trị dòng điện I p , I cu phụ thuộc vào thiết bị tạo
xung từ.
Nguồn năng lượng này có vai trò quan trọng trong quá trình dập bằng xung điện từ. Vì
vậy khi dập bằng xung điện từ cần thiết phải xác định được giá trị tối ưu của nguồn năng
lượng cung cấp cho thiết bị nhằm tối ưu hóa quá trình dập. Để làm được điều này cần phải lựa

chọn được các thông số công nghệ chính của quá trình dập xung điện từ ảnh hưởng đến nguồn
năng lượng của thiết bị.
2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Có rất nhiều các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình dập bằng xung điện từ.
Tùy thuộc vào sơ đồ công nghệ và mô hình toán học của quá trình mà có thể đưa ra được các
thông số công nghệ khác nhau. Về cơ bản, các thông số công nghệ này có thể chia ra thành ba
nhóm chính bao gồm:
Các thông số đặc trưng cho thiết bị dập xung điện từ như chiều dài dây dẫn trong mạch
điện l 0 ; tần số của thiết bị tạo dòng điện cảm ứng f TB ; điện dung của tụ điện mạch điện thiết bị
C 0 ; độ tự cảm của mạch điện thiết bị L0 ;
Các thông số đặc trưng cho dụng cụ (vòng dây cảm ứng) như đường kính trong và ngoài
của vòng cảm ứng D tr , D ng ; chiều dài vòng cảm ứng l cu ; số vòng dây cảm ứng ncu ; điện trở
riêng của vật liệu vòng dây cảm ứng ρ cu .
Các thông số đặc trưng cho phôi bao gồm chiều dày phôi s; mô đun đàn hồi của vật liệu
phôi E; ứng suất chảy của phôi σ s ; giới hạn bền của vật liệu phôi σ b
Đối với mỗi quá trình công nghệ khác nhau có thể xác định các thông số công nghệ
khác nhau ảnh hưởng đến quá trình dập xung điện từ hay quyết định đến nguồn năng lượng
cần thiết cung cấp cho thiết bị. Việc đặt chế độ làm việc cho thiết bị dập xung điện từ mà
trong đó đại lượng quan trọng nhất là giá trị năng lượng cần thiết để biến dạng tạo hình được
chi tiết hoàn toàn phụ thuộc vào đặc trưng của dụng cụ (vòng cảm ứng) và thiết bị (thiết bị tạo
xung điện từ). Do đó, việc lựa chọn các thông số công nghệ của vòng cảm ứng và của thiết bị
để khảo sát năng lượng cần thiết cho thiết bị đối với mỗi nguyên công công nghệ có ý nghĩa
hết sức quan trọng đối với quá trình dập bằng xung điện từ.
Trong phạm vi nghiên cứu, tiến hành xem xét ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ
chính của dụng cụ và thiết bị đến giá trị năng lượng cần thiết của thiết bị là: tần số riêng của
496


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
thiết bị f TB , kHz; số vòng dây dẫn của vòng cảm ứng ncu và điện trở riêng của vật liệu làm

vòng cảm ứng ρ cu . Sự lựa chọn khoảng biến thiên của các thông số trên dựa trên cơ sở các
thiết bị được trang bị tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Cơ học biến dạng dẻo - Trường đại
học Tổng hợp quốc gia Tula - Liên bang Nga.
Thiết bị thí nghiệm có tần số thay đổi trong khoảng 25 - 50 Hz;
Vòng cảm ứng được cuốn với số vòng dây thay đổi từ 5 - 15 vòng;
Vòng cảm ứng được chế tạo từ 2 vật liệu cơ bản là brong BrB2 (có ρ cu = 7 ⋅ 10 −8 Оm.m ),
thép 60C2 (có ρ cu = 27 ⋅ 10 −8 Оm.m ).
Giá trị biến thiên cụ thể của các thông số này được cho trong bảng 1.
Biến đầu vào Xi,

Bảng 1. Giá trị biến thiên của biến
Khoảng thay đổi của biến
Biến quy đổi xi
Xmin…Xmax

f TB , kHz

x1

25... 55

ncu , vòng

x2

5... 15

ρcu , Оm.m

x3

7... 27 e-8

Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học biến dạng dẻo
- Trường đại học Tổng hợp quốc gia Tula - Liên bang Nga với phôi ống làm từ thép 08кп có
chiều dài lp = 80 mm và đường kính phôi là Dp = 60 mm, chiều dày phôi là 1mm cho hai
nguyên công tóp và nong (giãn rộng) để xác định năng lượng tối ưu cần thiết cho quá trình tạo
hình bằng xung điện từ.
Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Box - Dray, tiến hành thực nghiệm với ba biến
đầu vào thì số thí nghiệm cần thiết phải thực hiện là 10 thí nghiệm.
Năng lượng của quá trình trình dập điện từ được đọc từ màn hình hiển thị của thiết bị.
Quá trình thực nghiệm được thực hiện trên các dụng cụ thí nghiệm đưa ra trên hình 2;
Phôi và sản phẩm sau dập được đưa ra trên hình 3.

a)

b)

Hình 2. Dụng cụ (vòng cảm ứng từ) thí nghiệm
a- vòng cảm ứng khi nong; b - vòng cảm ứng khi tóp

497


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a)

b)

c)

Hình 3. Phôi và sản phẩm khi dập xung điện từ
a - phôi; b - sản phẩm khi tóp; c - sản phẩm khi nong (giãn rộng)
Tiến hành thực nghiệm và thu được một số kết quả như sau:
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm đối với nguyên công tóp
№
W (KJ)
x1
x2
x2
1

-1

-1

-1

28,255

2

+1

-1

-1

28,801

3

-1

+1

-1

11,542

4

-1

-1

+1

31,9616

5

+0,1925

+0,1925

-1

13,652

6

-1

+0,1925

+0,1925

15,491

7

+0,1925

-1

+0,1925

30,976

8

-0.2912

+1

+1

14,589

9

+1

-0.2912

+1

20,236

10

+1

+1

-0.2912

13,071

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm đối với nguyên công nong
№
W (KJ)
x2
x1
x2
1

-1

-1

-1

171,431

2

+1

-1

-1

165,574

3

-1

+1

-1

70,104

4

-1

-1

+1

184,535

5

+0,1925

+0,1925

-1

75,633

6

-1

+0,1925

+0,1925

88,624

7

+0,1925

-1

+0,1925

175,646

8

-0.2912

+1

+1

79,778

9

+1

-0.2912

+1

102,017

10

+1

+1

-0.2912

68,953

Dựa trên các kết quả thí nghiệm đạt được, bằng các tính toán theo lý thuyết quy hoạch
thực nghiệm, hàm mục tiêu của bài toán được xây dựng có dạng như sau:
498


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Khi tóp:

W = 16.787 − x1 ⋅ 0.03950 − x2 ⋅ 8.5103 + x3 ⋅ 1.3955 − x1 ⋅ x3 ⋅ 0.30768 −
− x2 ⋅ x3 ⋅ 0.14901 − x12 ⋅ 0.20633 + x22 ⋅ 5.3505 − x32 ⋅ 0.36859
Khi nong (giãn rộng):

W = 91.549 − x1 ⋅ 5.2394 − x2 ⋅ 50.231 + x3 ⋅ 4.3469 − x1 ⋅ x3 ⋅ 2.4961 +
+ x2 ⋅ x3 ⋅ 0.2468 − x12 ⋅ 0.8988 + x22 ⋅ 34.408 − x32 ⋅ 2.6893
Từ các mối liên hệ toán học giữa năng lượng nguồn cung cấp cho thiết bị và các thông
số của thiết bị và phần cảm ứng xây dựng được đồ thị mối liên hệ như sau:
Với phần cảm ứng được chế tạo từ brong BrB2 (có ρv = 7 ⋅10−8 Оm.m ) thì năng lượng
xung cần thiết nhỏ nhất và lớn nhất là:
+ Khi tóp Wmin = 11,9 kJ; Wmax = 29,1 kJ;
+ Khi nong Wmin = 61,2 kJ; Wmax = 171,5 kJ.

a) Khi tóp
b) Khi nong

Hình 4: Sự phụ thuộc của năng lượng xung từ vào ncu và fTB
khi vòng cảm ứng được chế tạo từ brong BrB2
Với phần cảm ứng được chế tạo từ thép 60C2 (có ρ v = 27 ⋅ 10 −8 Оm.m ) thì năng lượng
xung cần thiết nhỏ nhất và lớn nhất là:
+ Khi tóp Wmin = 13,7 kJ; Wmax = 31,4 kJ;
+ Khi nong Wmin = 66,6 kJ; Wmax = 184,2 kJ.

a) Khi tóp
b) Khi nong
Hình 5: Sự phụ thuộc của năng lượng xung từ vào ncu và fTB
khi vòng cảm ứng được chế tạo từ thép 60C2
499


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Thay đổi số vòng dây của vòng cảm ứng, xây dựng mối quan hệ giữa năng lượng xung
từ với tần số thiết bị và điện trở riêng của vật liệu chế tạo vòng cảm ứng nhận được đưa ra
trên hình 4 và hình 5. Khi đó năng lượng xung cần thiết nhỏ nhất và lớn nhất là:
+ Khi tóp với vòng cảm ứng ncu = 10 vòng thì Wmin = 15,2 kJ; Wmax = 17,4 kJ;
Khi tóp với vòng cảm ứng ncu = 15 vòng thì Wmin = 12,2 kJ; Wmax = 14,1 kJ;
+ Khi nong với vòng cảm ứng ncu = 10 vòng thì Wmin = 86,6 kJ; Wmax = 99,9 kJ
Khi nong với vòng cảm ứng ncu = 15 vòng thì Wmin = 64,6 kJ; Wmax = 84,2 Kj

a)

b)

Hình 6: Sự phụ thuộc của năng lượng nguyên công tóp vào ρ cu và fTB
a- Khi số vòng dây ncu = 10; b- Khi số vòng dây ncu = 15

a)

b)

Hình 7: Sự phụ thuộc của năng lượng nguyên công nong vào ρ cu và fTB
a- Khi số vòng dây ncu = 10; b- Khi số vòng dây ncu = 15
3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Từ các đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa năng lượng cung cấp cho thiết bị và các thông
số công nghệ chính của thiết bị và vòng cảm ứng ta nhận thấy rằng:
500


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Khi dập xung điện từ phôi ống cho hai nguyên công tóp và nong, vòng cảm ứng được
chế tạo từ các vật liệu brong BrB2, thép 60C2 và được cuốn với số vòng thay đổi từ 5 đến 15
vòng thì năng lượng xung từ sẽ tỷ lệ nghịch với chiều tăng số vòng cuốn của vòng cảm ứng và
tỷ lệ thuận với chiều giảm của điện trở riêng vật liệu làm vòng cảm ứng;
Khi tăng tần số làm việc của thiết bị và giảm điện trở riêng của vật liệu làm vòng cảm
ứng thì năng lượng xung từ sẽ giảm.
Năng lượng xung từ nhỏ nhất cần thiết cho quá trình dập có thể đạt được khi lựa chọn
được các giá trị tối ưu của tần số thiết bị, số vòng dây của vòng cảm ứng mà cụ thể là khi
ncu = 10 ÷ 15 vòng và f TB ≈ 55 kHz;
Nếu vật liệu làm vòng cảm ứng từ là brong BrB2 (có ρ v = 7 ⋅10 −8 Оm.m ) thì khi tăng số
vòng dây của vòng cảm ứng (từ 10 vòng lên thành 15 vòng) thì năng lượng xung từ khi tóp
giảm 20%, khi nong giảm 26%;
Nếu giữ nguyên số vòng dây dẫn của vòng cảm ứng ncu = 10 mà thay đổi vật liệu làm
vòng cảm ứng từ thép 60C2 (có ρ v = 27 ⋅10 −8 Оm.m ) sang brong BrB2 (có ρ v = 7 ⋅10 −8 Оm.m ),
có nghĩa rằng nếu giảm điện trở riêng của vật liệu làm vòng cảm ứng gần 4 lần thì năng lượng
cần thiết cho quá trình dập giảm 13%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Белый. И.В., Фертик. С. М., Хименко. Л. Т. Справочник по магнитно-импульсной
обработке металлов // - Харьков; Вища школа, 1977. - 168 с.
[2] Магнитно-импульсная обработка металлов / Изд. 3-е доп.- Воронеж: ЭНИКМАШ,
1976.- 182 с.
[3] Кухарь В. Д., Проскуряков Н. Е., Пасько А. Н. Моделирование процессов собрки
деталей давлением импульсного магнитного поля (ИМП) // Кузнечноштамповочное производство. 1996. № 8. С 2-3.
[4] Лай. Д. З. Управление формой импульса давления при электромагнитной
штамповке. // Сборник МГТУ «МАМИ» - ААИ – 2012. с – 145-148.
[5] Лай. Д. З. Моделирование операций электромагнитной штамповки трубчатых
заготовок с использованием пакета MATLAB/Simulink. // Известия ТулГу 2013.
Вып 5. Тула: ТулГУ. С 50-56.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
TS. Lại Đăng Giang - Phó chủ nhiệm Bộ môn Gia công áp lực - Khoa Cơ khí - Học
viện Kỹ thuật quân sự . 236 Hoàng Quốc Việt, Bắc Từ Liêm, Hà Nội.
Email: ; 0985.821.014

501