Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
3.6 Индукционные установки для поверхностной закалки 3.6.1 Основные типы закалочных индукторов Индуктор является основным элементом высокочастотной закалочной установки, определяющим качество закалки и экономичность процесса. Можно условно выделить следующие основные типы индукторов: 1) для внешних цилиндрических поверхностей; 2) для плоских поверхностей; 3) для внутренних цилиндрических поверхностей; 4) индукторы для тел сложной формы. Любой индуктор содержит индуктирующий провод, создающий магнитное поле, токоподводящие шины, контактные колодки для подсоединения к закалочному трансформатору, устройства для подачи воды, охлаждающий индуктор и нагретую поверхность. Индукторы для нагрева плоских и внутренних цилиндрических поверхностей часто снабжают магнитопроводами, повышающими КПД и cosφ индуктора. Магнитопроводы применяются также для формирования магнитного поля, обеспечивающего требуемую форму закаленного слоя. Основными параметрами индуктора являются ширина индуктирующего провода а ; его толщина d 1 и зазор между индуктором и деталью. Различают два способа закалки: одновременный и непрерывно - последовательный. При одновременном способе весь участок поверхности, подлежащий закалке, нагревается одним или несколькими неподвижными индукторами, а затем охлаждается закалочной жидкостью. При непрерывно – последовательном способе нагреваемая деталь перемещается относительно индуктора, нагреваясь за время нахождения его в магнитном поле до температуры закалки, после чего охлаждается. Одновременный способ используется, когда мощность генератора достаточна для нагрева всей детали. Меняя зазор h и ширину индуктирующего провода или применяя магнитопроводы, можно добиться требуемого распределения температуры даже при закалке тел сложной формы. Ширина индуктирующего провода при нагреве всей детали или отдельного его элемента берется примерно равной ширине нагреваемой зоны. Если нагревается участок детали, то ширина провода а 1 берется на 10-20% большей ширины участка, что позволяет компенсировать теплоотвод в соседние зоны и ослабление магнитного поля у краев индуктора. Индукторы для одновременного нагрева обычно не имеют постоянного охлаждения. Тепло, выделяющиеся в индукторе во время 268 нагрева, аккумулируется медью индуцирующего провода, толщина которого выбирается из условия нагрева до температуры не свыше 250 ºС. Это требование обычно выполняется при ( ) k x d 4 5 2 1 ÷ = при средних частотах и при ( ) 6 5 1 ÷ = d мм при радиочастотах. Непрерывно – последовательный нагрев используется, когда одновременный нагрев требует слишком большой мощности генератора или дает избыточную производительность. Непрерывно – последовательный способ применяется для нагрева тел простой конфигурации с плоской или цилиндрической поверхностью. Ширина индуктирующего провода определяется мощностью генератора или требуемой производительностью. При заданной мощности генератора: l р Р а тр и г ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 0 3 1 10 η η , где Р г – мощность генератора, кВт ; η и и η тр – КПД индуктора и трансформатора; р 0 – удельная мощность, необходимая для закалки; l – длина индуктирующего провода. Если задана производительность, то ширина индуктора и мощность генератора: к t а ⋅ = ϑ 1 , 1 0 3 10 56 , 1 а l р Р г ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = − , где р 0 и t к – определяются из теплового расчета. Индукторы для непрерывно – последовательного нагрева делают из прямоугольной медной трубки с постоянным водяным охлаждением. Оптимальная толщина стенки трубки 1 1 2 Δ = π d . При радиочастоте толщина трубки выбирается из условий механической прочности ( 1 1 ≥ d ). Закалочная вода подается из специального спрейера расположенного на выходе из индуктора. Расстояние от индуктора до зоны охлаждения 269 должно быть минимальным, чтобы температура нагретого слоя не успела опуститься ниже температуры закалки. 3.6.1.1 Индукторы для внешних цилиндрических поверхностей Наружные индукторы для закалки цилиндрических тел имеют высокий КПД и cosφ даже без применения магнитопроводов, т.к. нагреваемое изделие расположено в зоне сильного магнитного поля. Магнитопроводы иногда применяют для усиления нагрева в какой – либо части нагреваемой детали, или для экранирования соседних элементов от поля индуктора. 3.6.1.2 Индукторы для закалки плоских поверхностей Равномерный закаленный слой не плоской поверхности получить сложнее, чем на цилиндрической. Равномерный слой можно получить за счет непрерывного перемещения индуктора относительно изделия. Индукторы для нагрева плоских поверхностей делятся на два типа. Первый тип представляет собой петлю, плоскость которой параллельна нагреваемой поверхности. Индуктирующий провод такого индуктора создают свои зоны нагрева. Для повышения КПД и cosφ индукторы снабжаются магнитопроводом, концентрирующим поле. При больших размерах нагреваемой зоны используют зигзагообразные индукторы. Для нагрева дисков и фланцев применяют спиральные индукторы. В центре спирального индуктора ток отсутствует. Этот участок можно уменьшить с помощью магнитного сердечника. Индукторы второго типа представляют собой петлю, плоскость которой перпендикулярна нагреваемой поверхности. Одна из ветвей является индуцирующим проводом, а другая обратной шиной. Чтобы обеспечить приемлемый КПД такого индуктора без магнитопровода (на радиочастотах), расстояние между ветвями 2 и 3 должно быть взято много больше, чем зазор между индуктором и деталью. Индукторы средней частоты этого типа обязательно снабжаются магнитопроводами. Обратный провод делают большой ширины, чтобы уменьшить его активное сопротивление и индуктивность. Для одновременного нагрева могут использоваться индукторы всех рассмотренных типов. 270 Для непрерывно – последовательного нагрева обычно используются плоские индукторы. 3.6.1.3 Индукторы для внутренних поверхностей Для нагрева внутренних поверхностей используются три основных типа индукторов. Цилиндрические индукторы применяют для закалки отверстий диаметром не менее 40 мм . Индукторы состоят из одного или нескольких витков индуцирующего провода, магнитопровода и токоподводящих шин. В отдельных случаях, особенно на радиочастоте, индукторы не имеют магнитопровода. Для закалки сквозных отверстий малого диаметра применяют стержневые индукторы, состоящие из толстостенной трубки с отверстиями и токоподводящих шин. Недостатком является наличие контактов, которые необходимо каждый раз, чтобы надеть деталь разбирать. Отверстие диаметром 20-40 мм нагревают петлевыми индукторами при вращении детали. Индукторы обязательно снабжаются магнитопроводом. 3.6.2 Выбор частоты Поверхностная закалка относится к процессам в которых используется индукционный нагрев. Целью поверхностной закалки является получение высокой прочности и твердости поверхностного слоя при сохранении пластичной сердцевины. Выбор частоты при поверхностной закалке определяется следующими факторами: 1) необходимостью нагрева при котором обеспечивается наименьший период температуры в закаленном слое, наибольший термический КПД и высокая производительность; 2) допустимым уровнем потерь в индукторе; 3) высоким электрическим КПД индуктора; 4) типом высокочастотного оборудования. Первое требование обеспечивается при соотношении к к х Δ p , где х к – глубина закаленного слоя, к Δ - глубина проникновения. 271 При таком соотношении, распределение плотности тока и энергии по сечению нагреваемого слоя наиболее равномерно и термический КПД часто превышает 40%. С уменьшением глубины закаленного слоя при неизменной частоте увеличивается необходимая удельная мощность при одновременном уменьшении времени нагрева, и возникают удельные потери в индукторе. Минимальная глубина закаленного слоя, при которой потери в индукторе не превышают допустимого значения (0,4 кВт / см 2 ), определяется соотношением: к к х Δ ⋅ ≈ 25 0 min Диапазон частоты, обеспечивающий глубинный тип нагрева и допустимые потери в индукторе, определяется неравенством: 2 2 25 0 015 , 0 к к х f х p p Как показали экспериментальные исследования, максимум полного КПД обеспечивается при частоте: 2 06 , 0 к опт х f ≈ Это выражение может служить для уточнения выбора частоты лежащей в диапазоне определяемым предыдущим выражением. Для наиболее часто встречающегося случая закалки внешней цилиндрической поверхности нижняя граница частоты, при которой КПД мало отличается от предельного, дается соотношением: 2 2 0 D F f f где D 2 – диаметр детали; 272 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 1 2 2 1 0 ; a D D D f F ; D 1 – диаметр индуктора; а – ширина индуктора. В диапазоне средних частот в качестве источников питания применяются магнитные генераторы или статические преобразователи частоты, КПД которых достигает 90 – 92%. Закалочные трансформаторы имеют КПД 85-90%. При частотах 66 ≥ f кГц применяются ламповые генераторы, статические транзисторные преобразователи и воздушные трансформаторы имеющие низкий КПД. Поэтому при закалке на глубину 2 f к х мм следует использовать средние частоты. Радиочастоты следует использовать при 2 p к х мм, а также для установок малой производительности, предназначенных для термообработки широкой номенклатуры деталей. Более сложен вопрос выбора частоты для закалки деталей сложной формы (шестерни, зубчатые колеса и т.д.). При закалке зубчатого колеса условия нагрева зубцов и впадин различны. Точка О в зубце находится под действием большего числа источников тепла, чем точка О 1 у впадины. При низкой частоте, когда глубина проникновения тока сравнима с толщиной зубца, плотность тока в зубцах падает и впадины нагреваются сильнее зубцов. Существует оптимальная частота, при которой вся поверхность нагревается равномерно, при этом удельная мощность во впадине примерно в два раза больше, чем в зубцах. Оптимальная частота определяется из выражения: 2 2 2 0 R f ≈ , где R 2 – радиус наименьшего закругления. или 273 2 5 10 3 M f ⋅ ≈ , где М – модуль зубчатого колеса. Эти ограничения можно снять проводя нагрев на двух частотах. 3.6.3 Тепловой расчет Целью теплового расчета является определение удельной мощности пов p , мощности передаваемой в деталь 2 P , и время нагрева к τ , которые полностью характеризуют режим нагрева. Глубина активного слоя, величина эквивалентная глубине проникновения тока в изотропное тело, определяется из соотношения: к M Δ = ξ где ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Δ = r к к x f M μ , ; f к / 5 , 0 = Δ - глубина проникновения тока в сталь нагретую выше 750 C o ; r μ - относительная магнитная проницаемость на глубине к x x > Для приближенных расчетов достаточно принять среднее значение 16 = r μ . В таблице 1 приведены значения M в зависимости от отношения к к x Δ при 16 = r μ Таблица 3.7 к к x Δ M к к x Δ M к к x Δ 0 0,1 0,2 0,3 0,250 0,293 0,369 0,447 0,4 0,5 0,6 0,7 0,532 0,614 0,690 0,770 0,8 0,9 1,0 0, 834 0, 902 0, 953 274 При 1 > Δ к к x принимают 1 ≈ M . Если к x 3 , 0 < ξ , то можно считать 0 = ξ Это соответствует чисто поверхностному типу нагрева и обычно такие режимы не рекомендуются. Время нагрева находится по заданным температурам пов t и к t на основании соотношений: - для пластины нагреваемой с одной и с двух сторон ( ) ( ) к пов к t t F S F F S F = + + 0 0 0 0 , , , 0 , β α α ( ) ( ) к пов к t t F S F F S F = + + 0 0 0 0 , , , 1 , β α α где α - относительная глубина активного слоя; β - относительная координата; 0 F - число Фурье. к β - значение β при к b x = . Для пластины нагреваемой с одной стороны 2 / d ξ α = , 2 / d x = β , 2 2 0 / d a F τ = . Для пластины нагреваемой с двух сторон 2 / 2 d ξ α = , 2 / 2 d x = β , 2 2 0 / 4 d a F τ = . Для цилиндра 2 / 2 1 d ξ α − = , 2 / 2 1 d x − = β , 2 2 0 / 4 d a F τ = . Во всех формулах 2 d - толщина пластины или диаметр цилиндра, м ; x - расстояние от поверхности, м ; ξ - глубина активного слоя, м . Задаваясь значениями 0 F (от 0,05 до 0,3 для пластины и от 0,025 до 0,2 для цилиндра), при известных α и , по таблицам приложений П1 и П2 определяется значение вспомогательных функций ) , , ( 0 F S β α соответственно для пластины и для цилиндра. Далее, по выражениям (5) и (6), для каждого значения 0 F рассчитываются отношения к пов t t и строится график ) ( 0 F f t t к пов = . В точке пересечения полученной кривой с заданным в исходных данных отношением к пов t t , находится требуемое число Фурье 0 F и соответствующее ему время нагрева τ Если 3 , 0 0 > F для пластины или 2 , 0 0 > F для цилиндра, то время нагрева определяется аналитически: для пластины нагреваемой с одной стороны 275 ( ) ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − = 1 , 0 , 2 2 к пов к к пов t t a S t t S d β α α τ для пластины нагреваемой с двух сторон ( ) ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − = 1 4 , 0 , 2 2 к пов к к пов t t a S t t S d β α α τ для цилиндра ( ) ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − = 1 4 , 1 , 2 2 к пов к к пов t t a S t t S d β α α τ По известным времени нагрева и заданной температуре поверхности определяется удельная мощность: для пластины нагреваемой с одной стороны ( ) ( ) 0 0 2 , 0 , F S F d t p пов пов α λ + ⋅ = ; для пластины нагреваемой с двух сторон ( ) ( ) 0 0 2 , 0 , 2 F S F d t p пов пов α λ + ⋅ = ; для цилиндра ( ) ( ) 0 0 2 , 1 , F S F d t p пов пов α λ + ⋅ = 276 Если нагревается часть поверхности или имеется в виду непрерывно последовательный нагрев, то для приближенного учета утечки тепла в осевом направлении полученные значения удельной мощности умножаются на 1,2. Мощность, передаваемая в нагреваемую деталь, равна: пов p S P 2 2 = где 2 S - площадь нагреваемой поверхности, 2 м . 3.6.4 Определение геометрических размеров индуктора Основными параметрами индуктора являются ширина индуктирующего провода 1 а , его толщина 1 d , и зазор между индуктором и деталью h Диаметр индуктора определяется из соотношения, м: 2 1 ) 1 , 1 05 , 1 ( D D − = При одновременном способе нагрева, может нагреваться как вся деталь, так и ее отдельный участок. При нагреве всей детали ширина индуктирующего провода берется примерно равной ширине нагреваемой зоны: 2 1 а а ≈ Если нагревается участок детали, то ширина провода берется на 10- 20% большей ширины участка: 2 1 ) 2 , 1 1 , 1 ( а а − ≈ Индукторы для одновременного нагрева обычно не имеют постоянного охлаждения индуктирующего провода. В этом случае толщина токонесущей стенки индуктирующего провода выбирается из соотношения - при частоте до 10 кГц K x d ) 4 5 , 2 ( 1 − = - при частоте более 10 кГц 277 мм d 6 5 1 − = При непрерывно-последовательном способе нагрева, ширина индуктирующего провода определяется мощность генератора или требуемой производительностью. При заданной мощности генератора l Р Р а пов тр и г η η = 1 , где − г Р мощность генератора, Вт; и η и тр η - КПД индуктора и трансформатора соответственно; − l длина индуктирующего провода, м. Для приблизительного расчета можно принять и η ≈ тр η 8 , 0 ≈ Если задана производительность, а следовательно, и скорость ν движения детали относительно индуктора, то ширина индуктора и мощность генератора определятся из выражений ντ = 1 а ; 1 56 , 1 lа Р Р пов г ≈ Индукторы для непрерывно-последовательного нагрева делают из прямоугольной медной трубки с постоянным водяным охлаждением. Оптимальная толщина стенки трубки определяется - при частоте до 10 кГц 1 1 57 , 1 Δ ≈ d - при частоте более 10 кГц, толщина трубки выбирается из условия механической прочности: мм d 1 1 ≥ Размеры шин индуктора определяются конструктором исходя из особенностей технологического процесса. |