Как определить параметры нагрева при операции закалка на индукционной установке

Цель настоящей статьи помочь нашим клиентам с определением режимов нагрева для операции Закалка

Проблема с которой сталкиваются технологи при работе на высокочастотной установке индукционного нагрева в комплексе с механизированным станком заключается в том, что современное оборудование имеет гораздо больше параметров настройки для обеспечения поверхностной закалки, в сравнении со старым привычным оборудованием, и формул расчета и определения параметров программы закалки просто так не найдешь. В связи с чем приходится определять данные параметры путем проб и ошибок, расходуя при этом обработанные детали (валы и шестерни).

Ниже представлена схема существующей проблемы и вырастающей из нее необходимой цели - научиться определять точные параметры индукционного оборудования для операции закалки без получения брака:

Начнем с уточнения проблемы: Изделие можно подвергать поверхностной закалке один раз

После первого нагрева под закалку происходит выгорание углерода, что усложняет процесс получения необходимой твердости при повторной закалке. Поэтому обеспечение поверхностной закалки с первого раза является важной задачей в случаях когда количество деталей имеет серьезные ограничения. Например наличие только одной очень дорогостоящей детали на которой требуется провести закалку поверхности.

Решаемая задача: Для успешного проведения операции закалки требуется определить точные параметры режима нагрева

Эта задача особенно актуальна для организаций, которые занимаются закалкой различных деталей, например, при термообработке деталей на заказ или ремонте. В таких организациях каждая деталь поступает на закалочную индукционную установку в ограниченном количестве. Из-за этого у них нет возможности создать базу данных точных параметров, что увеличивает риск получения брака.

Уточнение цели: Научиться определять точные параметры индукционного оборудования для операции поверхностной закалки без брака

Риск получения брака в ограниченном количестве деталей требует от технолога определения точных параметров режима закалки перед запуском программы нагрева. Однако в Организациях редко встретишь специально обученного технолога для работы с ТВЧ установками, в тоже время доступной базы параметров нагрева в интернете нет. 

Производители закалочных индукционных установок также не обучают определять параметры нагрева, в их задачи входит проведение инструктажа по работе с оборудованием, однако он может предоставить методику расчета.

Что касается обучения технологии закалки, то для этого требуется специальная аккредитация, что не является необходимостью для производителя индукционного оборудования.

Теперь рассмотрим задачу: Как определить точные параметры режима нагрева на индукционном оборудовании

Рассмотрим Методику расчета глубины закаленного слоя, которая основывается на эмпирической данных зависимости удельной мощности от времени нагрева изделия из литературного источника (А.Е. Слухоцкий. Индукторы. Библиотека высокочастотника-термиста, выпуск №12. - Ленинград: Машиностроение, 1989.) 

Зависимость удельной мощности от времени нагрева сведены в таблицу практических значений, которые можно использовать для расчетов параметров работы индукторов в диапазоне частот 20÷50 кГц.

Таблица 1. Зависимость глубины закаливаемого слоя от удельной мощности и времени

Расчет для одновременного способа закалки.

Способ закалки, при котором индуктор охватывает всю поверхность закаливаемой детали производя ее нагрев с последующим охлаждением всей поверхности спреером или по средствам окунания. Также индуктор может быть совмещен со спреером. Для данного метода закалки необходимо произвести расчет поверхности закаливаемой детали, рассчитать требуемую мощность и время нагрева в соответствии с требуемой глубиной закалки (таблица 1).  Для деталей сложной формы когда только часть индуктора («прямые витки») охватывает требуемую закаливаемую поверхность, а остальная часть («обратные витки») используется для создания контура прохождения индукционного тока по детали, то к расчетному значению полезной мощности необходимо добавить величину равную 0,3÷0,8 от полезной мощности в зависимости от степени удаленность обратных витков от детали. Таким образом общий вид формулы для расчета величины мощности для одновременного способа закалки будет иметь вид:

Р_инд=К*S_дет*ρ, где

К -  коэффициент рассеивания обратных витков (1,3÷1,8), при их отсутствии К=1;

S_дет – закаливаемая площадь детали, см²;

ρ– удельная мощность в зависимости от требуемой глубины закалки,  кВт/см²

Расчет для последовательно-непрерывного способа закалки.

Способ закалки, при котором индуктор охватывает часть закаливаемой поверхности и осуществляет движение относительно детали, последовательно нагревая ее поверхность и охлаждая. Процесс как правило осуществляется в вертикальном положении, спреер располагается ниже индуктора или совмещен с ним.

Для данного метода закалки необходимо произвести расчет поверхности детали охватываемой индуктором, рассчитать требуемую мощность и определить время нагрева в соответствии с требуемой глубиной закалки (таблица 1), а также рассчитать скорость движения индуктора.

Выражение для расчета площади детали охватываемой индуктором для цилиндрических деталей имеет вид:

S_дет=1,7π*D_дет*H_инд , где

D_дет-  диаметр детали, см ;

H_инд – высота индуктора, см;

Выражение для расчета мощности индуктора для последовательно непрерывного способа закалки будет иметь вид:

Р_инд=S_дет*ρ где

ρ – удельная мощность в зависимости от требуемой глубины закалки,  кВт/см²

Выражение для расчета скорости движения индуктора будет иметь вид:

ν_инд=H_инд/t_нагр , где

t_нагр-время нагрева для определенной глубины закалки,  сек

Таблица 2. Параметры режима нагрева на индукционной установке при последовательно-непрерывном способе закалки валов

Таким образом результатами расчетов представленной методики для определенной детали являются ориентировочные параметры мощности, времени для одновременного способа нагрева и мощности, скорости движения для последовательно-непрерывного способа закалки. Полученные расчетные данные необходимо апробировать на деталях с последующим анализом характеристик закаленного слоя и при необходимости провести коррекцию параметров работы индуктора. Как показывает практика погрешность расчета параметров по представленной методики связана с реальным  значением рабочей частоты работы индуктора (в методике представлен диапазон 20-50кГц), с реальной степенью рассеивания индуктора для конкретного сочетания диаметра индуктора, его высоты и зазора между индуктором и деталью, а также с реальными требуемыми температурами нагрева и различных марок сталей.

Рассмотрим случай когда имеется база параметров от которой можно оттолкнуться

Мы собрали некоторую базу по обратной связи от наших клиентов она приведена ниже

Таблица 3. Параметры полученные опытном путем при последовательно-непрерывном способе закалки валов

Из этой таблицы можно сделать простые но важные выводы:

• Мощность нагрева и индуктора в движении: мощность увеличивается с увеличением размеров деталей.

Для меньших диаметров (около 50 мм) мощность индуктора варьируется в пределах 35-50 кВт.

Для средних диаметров (около 100 мм) мощность индуктора варьируется в пределах 50-80 кВт.

Для больших диаметров (более 150 мм) мощность индуктора достигает значений до 120 кВт.

• Скорость индуктора и время охлаждения: скорость индуктора в движении ниже для больших диаметров, и меньшие детали обрабатываются быстрее

Для деталей с диаметром более 100 мм скорость обычно падает с 4-5 до 1мм/с.

Для меньших диаметров (менее 100 мм) скорость чаще всего устанавливается на уровне 6-7 мм/с.

• Получаемая твердость и глубина закалки: они зависят от используемых параметров закалки

Однако важно также рассмотреть закалку одного и того же диаметра но на разных типах деталей например вал - втулка

Таблица 4. Параметры полученные опытном путем при последовательно-непрерывном способе закалки валов и втулок

Из этой таблицы можно сделать простые но важные выводы:

Мощность: Валы требуют более высокой мощности как при предварительном нагреве, так и при движении индуктора, по сравнению с втулками. Это связано с большей массой

Скорость: Скорость индуктора в движении выше для втулок по сравнению с валами, соответственно втулки обрабатываются быстрее

Данная статья находится в проработке