Определение ширины нагреваемой полосы

Методика расчета индукторов для поверхностной закалки

Расчет состоит из трех этапов:

1. Выбор частоты;

2. Теплового расчета, в результате которого определяются мощность и время для нагрева на заданную глубину при заданной температуре поверхности.

3. Электрического расчета, который позволяет выбрать основные параметры индуктора и комплектующее оборудование.

Ширина нагретой полосы определяется двумя факторами:

1. Распределением индуктированного тока на поверхности нагреваемого изделия;

2. Растеканием тепла от нагретой зоны в толщину детали.

Примерное распределение плотности тока под индуктирующим проводом при разных значениях зазора h приведено на рисунках:

1.

Широкий индуктор ^а1/_h =1.

2. Узкий индуктор ^а1/_h ≥10.

Опыт показывает, что в коротком индукторе (^а1/_D1 <1) ширина закаленного слоя приближенно равна а'₂ ≈ 0,8а₁, а в длинном индукторе (^а1/_D1 >1) можно принять а₂ = а₁;

Однако действительная ширина слоя, нагретого до заданной температуры и, следовательно, ширина закаленной полосы, не равны а₂ < а₁.

Если закалка производится по всей поверхности одновременно, то заметный теплоотвод в боковых направлениях отсутствует. В этом случае ширина индуктора берется меньше длины детали l.

В среднем можно считать, что при радиочастотах:

а₁ ≈ l – h;

при звуковых:

а₁ ≈ l.

3. Глубина закаленного слоя определяется исходя из технологических требований к детали. Опыт показал, что достаточная прочность деталей обеспечивается при соблюдении условия:

В_К =(0,05 0,10) D₂

Выбор частоты при закалке производится исходя из необходимости получения высокого КПД процесса нагрева при обеспечении требуемой глубины закаленного слоя.

Реализовать большую производительность при малом перепаде температур в нагретом слое, можно путем применения глубинного нагрева.

При этом будет получен и наиболее высокий термический КПД. Для получения глубинного нагрева необходимо соблюдать условие: Δ _К >В_К.

Уменьшение толщины переходной зоны, является следствием быстрого падения температуры за пределами нагретого слоя, приводит к повышению усталостной прочности.

Приведенное неравенство определяет верхний предел частоты: f <0,25/ В_К ²;

Т.о., верхний предел f определяется не диаметром детали, а лишь требуемой глубиной закаленного слоя.

Нижнюю границу частоты находят из условия допустимых удельных электрических потерь в индукторе.

4. Удельные потери в индукторе.

С уменьшением глубины закаленного слоя при неизменной частоте увеличивается необходимая удельная мощность при одновременном уменьшении времени нагрева. Примерно в таком же соотношении будет возрастать и удельные потери в индукторе:

Где Δр_u – удельные потери в индукторе, р_о – удельная мощность, передаваемая в деталь, η_u – электрический КПД(0,75 ÷ 0,85), S_u – активная поверхность индуктирующего провода, S – нагреваемая поверхность.

Т.к. S_u ≈ S, то

По условиям термической стойкости индуктора недопустима его работа при потерях Δр_u >0,4 кВт/см²., т.к. индуктор перегорает из-за нестабильности охлаждения. Это условие позволяет связать минимально допустимую глубину закаленного слоя В_К с частотой:

Т.о., частота выбирается в диапозоне:

Из широкой полосы частот, определяемых неравенством, оказывается возможным выделить некоторую оптимальную частоту.

Известно, что при глубине прочного слоя равной 0,3 ÷ 0,4 горячей глубины проникновения тока, внутренний угол сдвига φ имеет минимум, а, следовательно, cos φ индуктора достигает максимума.

Максимум полного η достигается при

Хотя оптимум выражен не очень сильно, эта зависимость может служить для уточнения выбора частоты.

Дата добавления: 2014-01-07