Технология и оборудование термической обработки ТВЧ и ТПЧ

4. Деформацию изделий при ТО.

Закалка при нагреве деталей токами промышленной частоты (ТПЧ)

Установки для индукционного нагрева ТПЧ применяют для сквозного нагрева или поверхностного нагрева изделий на значительную глубину. Они более просты по устройству, чем установки ТВЧ, могут быть изготовлены собственными силами завода-пользователя, надежны в эксплуатации, имеют КПД до 90%. Состоят из станины для размещения индуктора, в который помещают нагреваемое изделие типа толстостенного кольца, муфты, втулки, бандажа и т.п. Индуктор в виде катушки изготавливают из красной медной профилированной трубки сечением 60х10, 8х10, 10х20 мм по форме нагреваемой детали и питают от промышленной сети переменного тока частотой 50Гц. Витки индуктора изолируют асбестовой лентой или шнуром толщиной слоя 1-2мм, охлаждают проточной водой. От теплового воздействия нагреваемого изделия катушку изолируют керамическим экраном толщиной 10-20мм. Поэтому величина воздушного зазора достигает 15-25мм. При нагреве до высоких температур между тепловым керамическим экраном и катушкой индуктора размещают водяной экран не замкнутого контура, в результате чего воздушный зазор увеличивается до 50мм, что приводит к большому рассеиванию магнитного потока.

Индукционный нагрев токами промышленной частоты применяют в основном для нагрева под закалку валков холодной прокатки.

1.9 Разработка технологических процессов термообработки при индукционном нагреве

В общем случае разработка технологии включает следующие этапы:

1. Оценка возможности и целесообразности (технической и экономической) применения ТО при индукционном нагреве, исходя из требуемых свойств деталей, определяемых характером и величиной действующих эксплуатационных нагрузок. На данном этапе обосновывают выбор твердости, глубины и расположения закаленного слоя, допустимой деформации. На этом этапе выбирают вариант поверхностной закалки.

2. Выбор частоты, типа и мощности преобразователей частоты.

3. Разработка конструкции опытного индуктора. Основные параметры некоторых типов индукторов для нагрева деталей простых геометрических форм могут быть определены расчетом. Для деталей сложной формы индукторы обычно проектируют на основе имеющегося опыта или по литературным данным с последующей их экспериментальной доводкой. При необходимости нагрева крупногабаритных деталей с постоянным сечением (валов, полос и т.п.) отработка конструкции индуктора и режимов нагрева может быть выполнена на модельных образцах меньшей длины с тем же сечением с последующим пересчетом на нагрев реальных деталей.

4. Определение электрических режимов нагрева в соответствии с предварительно разработанными термическими параметрами.

5. Выбор метода и при необходимости разработка схемы автоматической стабилизации или регулирования электрических режимов нагрева.

6. Разработка конструкции устройства для закалочного охлаждения.

7. Закалка опытных деталей или модельных образцов с целью уточнения оптимальных термических режимов; при этом должны записываться термические кривые нагрева с помощью осциллографов или быстродействующих потенциометров с использованием термопар (обычно хромель-алюмелевых) с диаметром электродов 0,3 - 0,5мм. Электроды термопар приваривают точечной сваркой к поверхности деталей в наиболее ответственных зонах

При этом контролируют отсутствие трооститных пятен (травлением), измеряют твердость на поверхности и по сечению деталей, металлографическим анализом определяют структуру и глубину закаленного слоя, измеряют остаточную деформацию и определяют поле допуска на последующую механическую обработку.

По выбранному оптимальному режиму проводят закалку и отпуск опытной партии деталей для механических испытаний.

8. Лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания деталей. Необходимо иметь в виду, что результаты лабораторных и стендовых испытаний, которые обычно для сокращения времени испытаний проводят со значительными перегрузками, не всегда объективно отражают реальную долговечность и надежность поверхностно-закаленных деталей. Это связано с тем, что при перегрузках, превышающих допустимые в эксплуатации, возрастают рабочие напряжения как в закаленном слое, так зонах за ее пределами, которые по условиям эксплуатации не предназначены для восприятия таких нагрузок, что приводит к преждевременным поломкам деталей. Поэтому выбор метода ускоренных испытаний имеет принципиальное значение для оценки реального качества деталей.

9. Конструирование и изготовление промышленной установки, обеспечивающей автоматическое выполнение всего технологического цикла закалки, механизации загрузки и выгрузки деталей.

10. Наладка установки, отработка параметров нагрева и охлаждения, обеспечивающих выполнение установленных ранее термических режимов нагрева и условий охлаждения.

11. Разработка технологической документации по выполнению закалки, контролю качества деталей и мерам техники безопасности.

1.10 Поверхностная закалка с электроконтактного нагрева

Метод контактного нагрева, разработанного Н.В. Гевелингом, заключается в следующем: электрический ток от трансформатора при помощи специального медного электрода-ролика подводится к поверхности обрабатываемой детали. В месте соприкосновения ролика с деталью происходит нагрев вследствие большой плотности тока, доходящей до 450а на 1мм ширины ролика.

Поверхностной закалке с электроконтактного нагрева подвергаются шейки шпинделей станков, шейки коленчатых валов, головки рельсов, направляющие станки и т.д.

Установки для поверхностной закалки с электроконтактного нагрева разработаны в 1931г. Н.В. Гевелингом, состоят из станка для закрепления и вращения или поступательного движения изделий, электроконтактной головки с роликовым контактом, спрейерного охлаждающего устройства. Роликовый контакт шириной 8-16мм изготовляют из меди водоохлаждаемым, для сохранения прочности в процессе работы. Схема такой закалки приведена на рис.1.136.

Конструкция станка зависит от формы закаливаемых изделий. Для закалки цилиндрических изделий обычно используют токарно-винторезные станки; для плоских поверхностей - горизонтально-фрезерные или продольно-строгальные станки. Деталь устанавливают в станок, как и при точении, а электроконтактную головку и охлаждающее устройство на суппорте (рис.1.137). Электроконтактную головку подключают к силовому трансформатору с напряжением на выходе 2-4В и силой тока в несколько тысяч ампер, суппортом подводят роликовый контакт к поверхности обрабатываемой детали и включают токарный станок. В месте соприкосновения ролика с изделием плотность тока, из-за малой поверхности соприкосновения, возрастает до 700А на 1мм ширины ролика, поэтому участок соприкосновения почти мгновенно нагревается. Температура нагрева и глубина прогретого тела тем больше, чем длительнее время контакта ролика с поверхностью изделия.

Охлаждение деталей при закалке производится водой или эмульсией, подача которых осуществляется насосом в количестве 25 - 30 л/мин. Баки для жидкости емкостью 300 - 5--л помещают под корытами станков или в углублении пола. Иногда используют воду непосредственно из водопроводной сети со спуском в канализацию.

При вращении детали с небольшим числом оборотов и поступательном движении суппорта с роликовым контактом и спрейером вдоль оси детали на ее поверхности остается винтообразная полоса закаленного слоя шириной, равной ширине ролика. Для сокращения общего времени закалки применяют электроконтактные головки с двумя токоподводящими роликами, расположенными друг от друга на расстоянии 1--мм. Для закалки всей поверхности цилиндра операцию повторяют несколько раз. Поэтому такую поверхностную закалку называют ленточной. Глубина закаленного слоя 2 - 5мм. Режимы нагрева и охлаждения назначают такими, чтобы происходил самоотпуск закаленной поверхности, либо после поверхностной закалки изделия подвергают отпуску в печах. Некоторые из применяемых схем ленточной поверхностно закалки цилиндрических изделий с контактного нагрева приведены на рис.1.138.

Электроконтактные способ нагрева позволяет, при необходимости, закаливать не всю поверхность детали, а лишь отдельные спиралеобразные (рис.1.139) или прямолинейные полосы. В результате такой закалки на поверхности детали закаленные полосы определенной ширины чередуются либо с более широкими, или более узкими незакаленными полосами, образуется специфическая композитная поверхность, обладающая специфическими триботехническими свойствами. Закалка по спирали шеек валов (рис.1.139) уменьшает трение, улучшает условия смазки в процессе эксплуатации вала, т.к. приводит к формированию своеобразной микроволнистой поверхности шейки в результате положительного объемного эффекта закаленной спирали.

Достоинства способа - простота и низкая себестоимость поверхностной закалки изделий простой формы: валов, осей, пальцев, шпинделей, пластин и т.п. Специфические недостатки: ограниченный ассортимент обрабатываемых изделий; низкая производительность; образование отпущенных полосок шириной до 0,5мм на стыках закаленных полос; наличие тонкого незакаленного поверхностного слоя, не нагревающегося до температуры выше критической из-за контакта с водоохлаждаемым медным высокотеплопроводным роликом. Незакаленный слой приходится снимать последующим шлифованием.

1.11 Прямой объемный электроконтактный нагрев

Установки прямого объемного электронагрева состоят из: станины (или приспособленного металлообрабатывающего станка); двух или зажимных, или роликовых, или жидких контактов (или несколько параллельно расположенных пар контактов); понижающего силового трансформатора; устройств для задачи изделий в зажимные контакты и выдачи из них; или протяжных механизмов для протаскивания нагреваемых изделий по роликовым контактам или через жидкие контакты. Изделия с относительно небольшими сечениями нагревают в установках с питанием от промышленной сети. В зависимости от вида нагреваемых изделий их либо зажимают в контактах (стержневая арматура, прутки, трубы и т.п.), либо протаскивают между вращающимися роликами (рис.1.140) или сквозь жидкие контакты из расплавов олова, свинца и др. (проволока, лента и т.п.). В первом случае один из контактов делают подвижным в продольном направлении и снабжают грузовым или пружинным натяжным устройством для компенсации линейного расширения изделия при нагреве.

Понижающий силовой трансформатор необходим по требованиям безопасности и в связи с малым электросопротивлением нагреваемых изделий и потребностью для их быстрого нагрева током большой силы, т.к. количество тепла согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату силы тока: Q=l² ·R·t,

где l - сила тока, а; R - сопротивление нагреваемого изделия, Ом; t - время нагрева, с. Питают трансформатор переменным током частотой 50Гц, напряжением 220 - 380В, а установку от трансформатора напряжением 10 - 30В.

По последовательности работы установки прямого нагрева подразделяют на установки периодического и непрерывного действия. На установках непрерывного действия термически обрабатывают длинные гибкие изделия с постоянным поперечным сечением (проволоку, ленту, полосы), а на установках периодического действия - мерный металлопрокат (арматурные стержни, прутки, трубы) и стержневые изделия постоянного или ступенчато-переменного сечения. Во втором случае для получения равномерного нагрева необходимо ток к участкам изделия с другими сечениями подавать от отдельных трансформаторов (рис.1.141) или предварительно подогревать более массивные участки изделия. Это обусловлено тем, что и постоянный и переменный ток низкой частоты распределяется по сечению детали равномерно. При изменении сечения изделия меняется плотность тока и, как следствие, изменяются количество выделяемого тепла и температура участка изделия с другим сечением. По этой же причине отверстия в изделии перед нагревом должны быть закрыты временными заглушками.

Установки прямого объемного нагрева применяют для отжига, чаще всего рекристаллизационного, нормализации, закалки, закалки с отпуском металлопроката и стержневых изделий. Расход электроэнергии 200 - 300кВт·ч на 1 тонну металлопродукции. К специфическим недостаткам установок прямого объемного электронагрева относятся: ограниченный сортамент обрабатываемых изделий; образование на изделиях прижогов в результате искрения контактов в установках непрерывного действия; «холодные» концы изделий в местах зажима контактов в установках периодического действия; низкая стойкость контактов.

Поверхностная закалка с нагревом внешними источниками тепла:

Поверхностная закалка с нагревом газокислородным и газо-воздушным пламенем

Принцип нагрева при поверхностной закалке газокислородным пламенем заключается на реализации неравенства между количеством подведенного к поверхности изделия тепла и количеством отводимого теплопроводностью тепла от поверхности вглубь изделия. Реализуют такое неравенство двумя способами: путем сжигания высококалорийных газов (ацетилена, метана, пропана, светильного, природного и др.) или паров бензина, керосина и кислорода в горелках со сменными наконечниками, создающими форму пламени, имеющему температуру до 3150^оС, близкую к форме нагреваемой поверхности (рис.1.142); сжиганием тщательно приготовленной газовоздушной смеси в керамических горелках с коэффициентом расхода воздуха n=1, обеспечивающим температуру продуктов горения до 2000^оС (рис.1.143). В качестве газа чаще всего применяют ацетилен, низшая теплотворная способность которого равна 52,6 МДж/м³ (12600 ккал/м³), т.к. его можно получать и в стационарных, и в передвижных генераторах путем разложения карбида кальция водой.

Установки для такой обработки состоят: из специального или приспособления металлообрабатывающего станка для размещения, закрепления или поступательно-возвратного движения обрабатываемых изделий; стационарных или перемещающихся закалочных головок для закрепления газокислородной или керамической горелки и закалочного спрейера; систем подвода газа и кислорода или газовоздушной смеси; систем подвода и отвода закалочной среды (воды, водных растворов, эмульсий, иногда масла); газокислородной станции. В качестве примера на рис1.144 приведена установка типа УЗШ для газопламенной закалки крупномоодульных зубчатых колес диаметром до 4м и длиной зуба до 450мм способом «зуб за зубом». На мундштуке каждого наконечника имеется два ряда сопл, верхний ряд - для подачи горючей смеси, нижний - для подачи воды. Горелка подводится к каждому зубу снизу. Двухсекционный наконечник (рис.1.142,д) охватывает зуб с двух сторон. При движении горелки вверх обе поверхности зуба нагреваются и закаливаются одновременно. По завершении закалки зуба зубчатое колесо поворачивают на один зуб, цикл повторяется.

Газокислородные горелки применяют двух типов: инжекционные (низкого давления), в которых кислород подается в горелку под давлением 0,3 - 0,4 МПа, а газ инжектируется кислородом; безинжекционные, в которых газ подается под давлением 0,1 - 0,2 МПа, а кислород 0,11 - 0,3 МПа. Для универсальности носики горелок приспособлены для закрепления сменных щелевых (однопламенных) или многопламенных наконечников. Ширина щели 0,15 0,25мм, длина 400мм и более, в зависимости от нагреваемой поверхности. Диаметр отверстий в многопламенных наконечниках около 1мм.

Керамические горелки для нагрева больших поверхностей имеют чашеобразную форму (рис.1.143,а). Основное количество теплоты такой горелки передается нагреваемой поверхности излучением поверхности камеры горения. Керамические горелки для нагрева небольших поверхностей (рис.1.143,б) имеют обычно щелевое выходное отверстие, из которого раскаленные продукты горения вылетают со скоростью до 100м/с. Нагрев поверхности изделий происходит и за счет излучения тепла камерой горения горелки, и за счет передачи теплоты конвекцией от продуктов горения.

Для эффективного использования тепла горелок расстояние их наконечников от нагреваемых поверхностей должно быть не более 20мм и не менее 5мм.

Установки для поверхностной закалки с пламенным нагревом применяют в основном на заводах тяжелого машиностроения и в ремонтно-механических цехах металлургических и других заводов, т.е. при единичном или мелкосерийном производстве крупных стальных и чугунных деталей. В ряде случаев они являются практически единственной возможностью для упрочнения поверхности таких деталей.

Применяют два наиболее распространенных способа выполнения поверхностной закалки с пламенным нагревом: одновременный (вся поверхность закаливаемой детали одновременно нагревается одной или несколькими подвижными или неподвижными горелками) и непрерывно-последовательный (горелка со спрейером перемещается относительно изделия или наоборот).

Температуру и глубину нагретого поверхностного слоя контролируют обычно косвенными методами по изменению состава и расхода газовой смеси, расстояния наконечника от горелки и детали. Иногда для контроля температуры используют специальные приборы миллископы - (аналогичные пирометрам, но быстродействующие).

Глубина упрочненного слоя, в зависимости от режима нагрева и закалки составляет 1 - 6мм. Отпуск или самоотпуск применяют для снятия напряжений.

Поверхностный пламенный нагрев применяют не только для поверхностной закалки, но и для местного отжига, нормализации, отпуска с целью снижения твердости и облегчения механической обработки, для улучшения свойств сварных швов и околошовных зон, для перераспределения остаточных напряжений в сварных металлоконструкциях. Недостаток кислорода позволяет осуществлять цементацию деталей.

Недостатки: неизбежный перегрев тонкого поверхностного слоя с сопровождающими его негативными последствиями (образование крупноигольчатого мартенсита и крупнодисперсных продуктов его распада при самоотпуске и отпуске; высокие температурные и структурные напряжения, приводящие к образованию поверхностных трещин и др.); непостоянство температуры самоотпуска и твердости; наличие переотпущенных (мягких) зон при непрерывно-последовательной (ленточной) закалке; резкий переход от закаленного слоя к незакаленному подслою; метод не применим к деталям из малотеплопроводных и высокоуглеродистых сталей и чугунов.

1.12 Поверхностная закалка с нагрева в электролитах

Нагрев поверхности изделий в электролитах основан на использовании эффекта свечения катода при электролизе электролита путем пропускания через электролит постоянного тока напряжением 220 - 380В с помощью двух электродов - положительного (анода) и отрицательного (катода). Эффект свечения катода при электролизе обусловлен выделением на катоде водорода, обладающего высоким электрическим сопротивлением. Водородная оболочка на изделии-катоде выполняет роль элемента сопротивления, который нагреваясь, нагревает изделие (рис.1.145). Аналогичный эффект получают не только при погружении детали (катода) в электролит, но и при подаче электролита струей на торец или другую поверхность детали. В этом случае анодом служит медная трубка, по которой подают струю электролита, а катодом - деталь. Орошаемая электролитом поверхность будет нагреваться. Оптимальное расстояние торца трубки от нагреваемой поверхности 20 - 30мм. Использованный электролит стекает в бак, из которого насосом подается на деталь.

Нагрев в электролитах может быть как поверхностным, так и сквозным. Время нагрева исчисляется секундами и зависит от состава и температуры электролита, напряжения и плотности тока.

В качестве электролитов в установках используют водные растворы солей щелочных металлов, чаще всего 5 - 10% раствор Nа₂СО₃, а также растворы кислот и щелочей, температура электролита до 60^оС, т.к. при более высоких температурах разрушается водородная оболочка; колебания температуры в ходе нагрева 10 - 20^оС для чего ванны снабжают змеевиками.

Закалку нагретого участка или детали осуществляют или в том же электролите при отключении напряжения, или в отдельном закалочном баке. Скорость нагрева регулируют изменением напряжения и силы тока. Схемы различных способов нагрева деталей в электролите приведены на рис.1.146.

При нагреве деталей переменного сечения применяют экраны из огнеупорного кирпича (рис.1.147).

Для закалки деталей машин с нагрева в электролитах разработано и применяется большое количество специализированных станков-автоматов периодического и непрерывного действия. Они по назначению подразделяют на автоматы: для поверхностной закалки цилиндрических деталей; для закалки концов деталей; пальцев траков гусеничных машин, поршневых пальцев, поддерживающих роликов траков и ободьев катков гусеничных тракторов и т.п.; для сквозного нагрева под закалку или горячую высадку и др.

2. Методичні вказівки до виконання практичних робіт з дисципліні «Технологія та обладнання термічної обробки СВЧ та СПЧ»

2.1 Практичне заняття №1

Визначення типу генератора для нагріву деталі СВЧ та його характеристик

Мета заняття:Ознайомитися зі спрощеними методами визначення характеристик швидкісного поверхневого високочастотного нагріву сталі; ознайомлення з генераторами СВЧ та вибір потрібного генератора для нагріву при заданих умовах.

Методичні вказівки

Високочастотне поверхневе гартування застосовується в промисловості для отримання виробів з твердим зносостійким поверхневим шаром і доволі м'якою та в'язкою серцевиною.

Нині індукційний нагрів струмом високої частоти (СВЧ) є одним з основних видів нагріву на машинобудівних заводах, так на автомобільних заводах понад 50% деталей термічно обробляються з використанням СВЧ.

Переваги гартування з поверхневим нагрівом СВЧ у порівняння зі наскрізним гартуванням наступні:

- зменшення крихкості виробів та деформацій під час нагріву та охолодження;

- практично повне усунення окислення та зневуглецювання;

- зменшення витрат на нагрівання, тому що нагрівається невеликий шар виробу;

- тривалість нагрівання складає декілька секунд або хвилин.

Для генерування струму високої частоти, що використовуються з метою нагріву метала при промислових мощностях від 15 до 1500кВт на частотах 2500 - 1500000Гц , застовують спеціальні високочастотні комплексні установки, що називаються генераторами СВЧ (ЛГ).

Для отримання частот звукового діапазону (до 10000Гц) застосовують машинні генератори (МГ), а для отримання радіочастот (від 60 кГц і вище) застосовують лампові (ЛГ) генератори СВЧ. На рис.1 і 2 наведені прості схеми ЛГ и МГ.

Ламповий генератор (рис.1) складається з блоку живлення і управляння, блок трансформаторний БТр, високовольтний блок (ВБ), блок генераторний (БГ), блок коливального контуру (БК), гартувальний блок (БЗ) , гартувальний станок (ЗС).

Перемінний струм від сіті 220/380В через контакті механічного, гідравлічного блокувань і рубильник Р надходить на високовольтний трансформатор Тр, де перетворюється в струм напругою 10-15кв і подається на ламповий трьохфазний двохнапівперіодичний випрямач (ВБ), де перетворюється в постійний струм високої напруги, та подається на електроді мощної генераторної лампі Л₇.

Через генераторну лампу проходять одно знакові імпульси високої напруги, а в коливальному контурі (L_к - С_к) циркулю. СВЧ високої напруги. З метою безпеки виконання операції нагріву високу напругу СВЧ знижують вторинним витком повітряного трансформатору до 3ч8 вольт і цей низьковольтний СВЧ у декілька тисяч ампера подають на індуктор I.

Всередину індуктора вводять деталь Д, що закріплена в рухомих центрах гартувального станка (ЗС). Струм, що індуктується в деталі, нагріває її при переміщенні та обертанні.

В ЛГ відсутні частини, що обертаються, і установка працює без шуму та вібрації.

Машинна установка (рис.2) складається з електродвигуна 1, що обертає ротор, та високочастотного генератора 2. Струм високої частоти (2500 - 10000 гц) через контактор 13 подається на гартувальний трансформатор (14 - 15) на його первинну обмотку 14.

Вторинний виток гартувального трансформатора подає напругу високої частоти, що знижена з 1500 - 375в до 80 - 2в на індуктор 16, всередині якого розміщена деталь 17, що закріплена в рухомих центрах 18 гартувального станка ЗС. Запуск установки ступінчастий: спочатку розгону електродвигун включено через пусковий ланцюг 3 - 5 - 7 - 6 - Д, після розгону двигун переключається на питание по ланцюгу 3 - 4 - Д. Ланцюг 9 - 10 - 11 - 12 питает обмотку збудження генератора СВЧ (Г). Перетворювач 9 подає постійний струм на обмотки збудження (тобто мощность, що виробляється генератором СВЧ) реле часу 11 може автоматично витримуватися заданий час нагрівання.

В гартувальному контурі паралельно первісній обмотці гартувального трансформатору з метою підвищення cosц включаються конденсаторні батареї 19 через запасники 20.

Для контролю та настроювання режиму нагрівання установка має амперметр 21, фазометр 22, ватметр 23, вольтметр 24.

Завдання: визначити характеристики швидкісного поверхневого високочастотного нагріву сталі; вибрати потрібний генератор для нагріву при заданих умовах.

Вихідні дані: Стальна (сталь 45) циліндрична деталь (рис.3) зовнішнім діаметром Д, довжиною , l нагріта на глибину х_к від кімнатної температури t_н до заданої температури t_к за час ф.

При виконанні завдання необхідно зробити наступні припущення:

- деталь нагрівається зразу по всій довжині;

- температура по всій довжині та товщині нагрітого шару х_к однакова;

- температура серцевини діаметром d` однакова по перерізу і довжині;

- кпд при нагріванні шару х_к складає 100%.

Порядок виконання:

1. Визначаємо масу нагрітого шару :

2. Потужність, що необхідна для виконання ідеального процес, визначаємо за формулою:

Вт

3. Питому потужність (щільність потужності) визначаємо за формулою:

, Вт/см²

де S_бок - площина бокової поверхні деталі с зоні нагрівання, см².

4. Економічність поверхневого нагріву у порівнянні з нагрівом під гартування до однакової температури:

де k - відношення глибини загартованого шару х_к до діаметра d .

Коефіцієнт п показує у скільки разів менше потрібно енергії при поверхневому нагріві та наступним гартуванням тільки на глибину х_к у порівнянні зі наскрізним нагрівом та наступного гартування на цю ж саму глибину х_к.

5. Тип генератора ТВЧ, що забезпечує заданий процес нагріву визначають за таблицями 1 - 3. По таблицям 2 і 3 в залежності від глибини шару х_к та діаметром d підбирають оптимальну частоту ѓ, а далі визначають оптимальну частоту:

, Гц

6. Надалі шляхом порівняння частот, що розраховані теоретично, та обрані по таблицям приймають рішення про вибір деякої нестандартної частоти в якості оптимальної (f_орт).

Таблиця 1- Частота току, що рекомендується, для нагріву деталей на задану глибину

Глибина загартованого шару, мм	1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	6,0	10,0
Частота току, кГц:
Максимальна	250	100	60	30	15	8	2,5
Оптимальна	60	25	15	7,0	4,0	1,5	0,5
Мінімальна	15	7,0	4,0	1,5	1,0	0,5	0,15
Тип генератора ТВЧ	ламповий	Ламповий або машинний	Машинний

Таблиця 2- Найменші допустимі частоти для нагріву стальних циліндрів

Діаметр виробу, мм	10	15	20	30	40	60	100
Найменша допустима частота, кГц.	При кпд індуктора, зі=0,8	250	150	60	30	15	7,0	2,3
	При кпд індуктора з=0,7	30	20	7,0	3,0	2,0	0,8	0,3
Тип генератора	Ламповий	Машинний
Частота току, кГц	70 і більше	8	8	2,5	1,0	0,5

Таблиця 3- Типи та основні характеристики генераторів ТВЧ

№ п/п	Характеристика генераторів	№№ п/п	Характеристика генераторів
	Тип (марка) генератора	Мощность, кВт	Частота, кГц		Тип (марка) генератора	Потужність кВт	Частота, кГц
1	2	3	4	1	2	3	4
Лампові генератори	Машинні генератори
1	ВЧИ-2,5/5,28-ЗП	2,5	5280	28	ВГО-250-2500	250	2,5
2	ВЧИ-4/5,28-ЗП	4,0	5280	29	ВГО-500-2500	500	2,5
3	ВЧИ-4/1,76-ЗП	4,0	1760	30	ВГО-500-8000	500	8,0
4	ВЧИ-6,3/1,76-ЗП	6,3	1760	31	ВГВФ-1500-2500	1500	2,5
5	ВЧИ-6,3/0,88-ЗП	6,3	880	32	ВГО-1500-1000	1500	1,0
6	ВЧИ-10/0,86-ЗП	10	860	33	ПВ-50/2500	50	2,5
7	ВЧИ-10/0,44-ЗП	10	440	34	ПВС-100/2500	100	2,5
8	ВЧИ-16/0,88-ЗП	16	880	35	ПВВ-100/8000	100	8,0
9	ВЧИ-16/0,44-ЗП	12	440	36	ВПЧ-50-8000	50	8,0
10	ВЧГ1-25/0,44	25	440	37	ВПЧ-50-2400	50	2,4
11	ВЧЗ1-25/0,44х	25	440	38	ВПЧ-100-8000	100	8,0
12	ВЧИ-25/0,44-ЗП	25	440	39	ВПЧ-100-2400	100	2,4
13	ВЧИ-25/0,077-ЗП	25	66	40	ОПЧ-320-1,0-3000	320	1,0
14	ВЧИ-40,0/0,44-ЗП	40	440	41	ОПЧ-250-2,4-380	250	2,4
15	ВЧИ-40/0,007- ЗП	40	66	42	ОПЧ-250-10,0-380	250	10,0
16	ВЧГ6-60/0,44	60	440	43	ОПЧ-500-4,0-3000	500	4,0
17	ВЧГ1-60/0,066	60	66	44	ВЕП-60/2400	60	2,4
18	ВЧИ-63/0,07-ЗП	60	66	45	ВЕП-60/8000	60	8,0
19	ВЧГ-60/066хх	66	66	46	ВЕП-100/8000	100	8,0
20	ВЧИ-100/0,44-ЗП	100	440	Тиристорні перетворювачі
21	ЛЗ-67 В	60	66	47	ТПЧ-160-4,0	160	4
22	ЛЗ-107 В	100	66	48	ТПЧ-250-2,4	250	2,4
23	ЛЗ-207 В	200	66	49	ТПЧ-500-2,5	500	2,4
24	ВЧИ-100/0,07-ЗП	100	66
25	ВЧИ-160/0,44-ЗП	160	440
26	ВЧИ-160/0,07-ЗП	160	66
27	ВЧИ-250/0,07-ЗП	250

Примітка: Машинні генератори з №36 по №46 - вертикальні.

^х) Має універсальний гартувальний станок.

^хх) Універсальний агрегат.

Розглянемо приклад вибору генератора, який повинен володіти частотою 66кГц. Виходячи з таблиці 3 таку частоту виробляють тільки лампові генератори типу ВЧИ, ВЧГ і ЛГ. Щоб обрати потрібний агрегат необхідно також використати значення необхідної потужності - Р=31,3кВт. Але в таблиці 3 відсутні генератори СВЧ з частотою 66 кГц та потужністю 31,5кВт, а є - 25кВт та 40кВт. В цьому випадку рекомендовано обирати генератор декілька більшої потужності. Виходячи з рекомендації обираємо агрегат ВЧИ-40/0,07-ЗП.

Кожному учню видається свій варіант завдання (таб.4) для виконання практичного заняття.

Табл.4 - Варіанти індивідуальних завдань

№ п/п	Параметр	Символ	Розмірність	Індекси варіантів
				А	Б	В	Г	Д	Є	Ж	З	К	Л
1	Діаметр деталі	Д	мм	25	40	53	63	73	83	93	102	112	122
				30	45	57	67	77	87	97	107	116	125
2	Глибина загартованого шару	Хк	мм	1,0	1,5	2,5	3,0	3,0	3,5	4,0	5,0	5,0	7,0
				1,5	2,5	3,0	3,5	3,5	4,0	4,5	5,5	6,0	10,0
3	Начальна температура	tон	оС	18	18	18	20	20	20	15	15	20	20
4	Кінцева температура	tок	оС	988	988	988	950	950	950	945	945	920	920
5	Довжина нагрітої зони	l	мм	50	50	45	40	35	30	25	25	25	25
6	Тривалість нагріву	ф	с	2	2	2	3	3	3	3	4	4	4
7	Середня питома теплоємність	Ср	Дж/г. град	0,8	0,8	0,9	0,9	0,9	0,8	0,8	0,9	0,9	0,9
8	КПД трансформатору	зтр	відн. од.	0,7	0,7	0,8	0,8	0,7	0,7	0,7	0,8	0,8	0,7
9	КПД індуктора	зі	ч	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
10	КПД термічний	зt	ч	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7

2.2 Практичне заняття №2

Визначення оптимальної частоти і глибини нагріву СВЧ циліндричної деталі при поверхневому гартуванні із само відпуском.

Мета заняття: Придбання навичок визначення параметрів швидкісного поверхневого високочастотного нагріву стальних виробів при термічній обробці.

Вихідні данні: Стальну циліндричну деталь радіусом R нагріту СВЧ на глибину ? до температури t^о_к необхідно загартувати на глибину Х_к (рис.4). Охолодження проводити таким чином (гартування на мартенсит), щоб частина тепла, що залишилася в шарі товщиною в після різкого охолодження поверхневого шару товщиною Х_к до температури t^о_н, розповсюджувалося з однакою швидкістю як на поверхню, так і вглиб деталі на глибину Х_к. При цьому відбувається розігрів (само відпуск) загартованого шару до завданої температури t^о_с.

Визначити: глибину ? , на яку необхідно нагріти деталь, щоби після різкого охолодження поверхневого шару на глибину Х_к відбувся його само відпуск до температури t^о_с.

Методичні вказівки

При виконання завдання необхідно зробити наступні припущення:

- температура шару завтовшки в дорівнює t^о_к;

- температурні межі між шарами не плавні, а різкі, як схематично вказано на рис4.б;

- перед початком само відпускання температура загартованого шару Х_к і серцевини однакові і дорівнюють температурі t^о_н.

- тепловіддачею в оточуюче середовище та відтоком тепла вздовж осі виробу знехтувати:

- вважати, що теплоємність шарів не залежить від температури.

Як видно з рис.3 після регламентованого охолодження поверхні деталі на глибину Х_к залишається гарячий шар, що дорівнює в, який має температуру гартувального нагріву - t^о_к.

Тепло із шару в починає приблизно з однаковою швидкістю розповсюджуватися як у зовнішні, так і внутрішні шари, при цьому шар в охолоджується, а суміжні шари нагріваються приблизно однаково. Коли на поверхні зразка температура досягає значення t^о_с, то така ж температура товщиною 2Х_к+в температура буде однаковою. Це й буде максимальна температура само відпуску t^о_с.

Таким чином внутрішній гарячий циліндричний шар завтовшки в розігрів ще два суміжних с ним шари товщиною Х_к до температури t^о_с, а сам охолодився до цієї ж температури.

Так як за умовою обміну теплом з оточуючим середовищем і внутрішніми шарами не відбувається, то кількість тепла, що спочатку був у шарі в , не змінилося, а залишилося тим же що і після досягнення температури само відпуску в шарі товщиною 2Х_к+в . Виходячи із рівняння теплового балансу, можливо записати:

де Q_в - кількість тепла, що утримується в гарячому циліндричному шарі товщиною в при температурі t^о_к;

Q_{(2Хк + в)} - кількість тепла, що утримується у шарі товщиною 2Х_к+в при температурі само- відпуску t^о_с.

У свою чергу в зв'язку з тим, що заради спрощення t^о_н умовно прийнято рівним нулю, отримаємо

Q_в = m_вC_pt^о_к

Q_{(2Хк +в)}=m₍2_{Хн+ в)}·С_р·t^о_с,

Де m_в і m₍2_{Хн+ в)} - маси циліндричних шарів товщиною в і (Х_н +в), висотою l відповідно;

С_р - питома теплоємність сталі;

t^о_с і t^о_с - температури нагріву під гартування і розігріву при само відпуску, відповідно.

Рис.4 Схеми розташування та умовні позначення різних температурних зон при різкому поверхневому гартуванні з нагріву СВЧ із самовідпуском:

А - схема розташуванні зон:

Б - схема розповсюдженні температур в зонах.

Виходячи з того, що Q_в = Q₍2_{Хк + в)} та для спрощення приймаємо t^о_с / t^о_к=К,

а в=n·Х_к.

Глибина нагрівання

?r = Х_к + в.

Використовуючи формулу Гюйгенса для гарячої глибин проникнення СВЧ в гарячу сталь при глибинному способі нагрівання, із рівняння знайти значення оптимальної частоти струму високої частоти.

Вибір свого варіанту завдання обрати з таблиці 5

Таблиця 5- Вихідні данні для виконання практичного завдання

№ п/п	Параметри	№ строк	Символ	Розмірність	Індекси варіантів
					А	Б	В	Г	Д	Є	Ж	І	К	Л
1	Радіус деталі	1	R	мм	15	20	25	30	35	40	45	50	55	40
		2			20	25	30	35	40	45	50	55	60	65
2	Глибина загартування	1	Хк	мм	1,5	2,0	2,5	3.0	3.5	4,0	4,5	5	6	7
		2			2,0	3	4	5	5	6	6	6	7	8
3	Начальна температура		tос	оС	10	20	20	20	20	10	10	20	20	10
4	Кінцева температура		tос	оС	950	940	930	920	910	900	890	880	870	860
5	Температура само відпуску		tос	оС	220	200	220	230	240	240	200	200	200	220

Размещено на Allbest.ru