SHAPE OPTIMIZATION OF THE INDUCTOR FOR HARDENING OF SPHERICAL SURFACES

Full Text

Термическая обработка сталей - одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам для изменения его структуры и свойств. Температура нагрева при закалке сталей различной марки меняется приблизительно от 800 до 1300 °С, при этом нагревать требуется равномерно, разброс температуры допускается не более ±30 °С [1]. При индукционной закалке равномерное распределение температуры по закаливаемой поверхности чаще всего достигается выбором соответствующей конструкции индуктора. В качестве дополнительной меры, улучшающей равномерность нагрева, применяется вращение обрабатываемой детали. Сложные для индукционного нагрева детали, имеющие острые углы, поверхности с резкой кривизной в нескольких направлениях, в частности сферические поверхности, вызывают дополнительные трудности при выборе конструкции индуктора. В [2, 3, 4] рассматривался процесс нагрева стального шара диаметром 20 мм в одновитковом индукторе из медной трубки с поперечным сечением круглой формы, далее - индуктор круглого сечения (рис. 1). Внешний диаметр трубки 5 мм, внутренний диаметр 3 мм. Свойства стали: относительная магнитная проницаемость m = 100, удельное электрическое сопротивление ρ = 1,3×10-7 Ом×м, теплопроводность λ=45 Вт/м×К, удельная объемная теплоемкость Сρ= 3,71×106 Дж/м3К. Исследования проводились с целью определения наилучших конструктивных параметров индукционной нагревательной установки для получения наилучших температурных кондиций обрабатываемой детали. Рис. 1. Внешний вид индукционной нагревательной установки для закалки шаров В результате серии вычислительных экспериментов были определены рациональные значения параметров процесса нагрева, определяющих равномерность распределения температуры по поверхности сферы в конце нагрева. Так, скорость вращения нагреваемой сферы определена равной 400 об/мин, напряжение на индукторе 26 В, угол наклона плоскости витка индуктора αи = 35 градусов. Перепад температуры к концу процесса нагрева в указанных условиях составил 452 °С, при этом максимальная температура равна 1100 °С. Очевидно, такой нагрев нельзя считать удовлетворительным. С целью улучшения равномерности нагрева была проведена серия вычислительных экспериментов для определения влияния формы и размера поперечного сечения индуктирующего проводника на равномерность нагрева (рис. 2). Рассматривались два варианта формы поперечного сечения индуктора: круглая и квадратная. Для сравнения выбрана квадратная форма сечения, так как она обеспечивает увеличенную площадь поверхности взаимодействия индуктора со сферой. В процессе исследования размер поперечного сечения индуктора относительно диаметра сферы изменялся в пределах 25÷100 %, при этом воздушный зазор индуктор - сфера сохранялся неизменным и равным 2мм. Скорость вращения сферы, равная 400 об/мин, также не менялась. Дополнительно контролировалось изменение рациональной величины угла наклона плоскости витка индуктора, определенного в [2, 3, 4], для индуктора круглого сечения диаметром 5 мм. Результаты исследования представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что для индуктора круглого сечения (рис. 2а) существует достаточно четко определенное рациональное значение угла наклона плоскости витка индуктора. Рациональный угол наклона индуктора 35°, который обеспечивает достижение минимального по сравнению с другими углами перепада температуры по поверхности сферы, сохраняет свое значение для всех соотношений радиусов индуктор/сфера. Для индуктора квадратного сечения (рис. 2б) рациональное значение угла наклона индуктора равно 30°, хотя зависимость менее явная. С увеличением размера сечения перепад температуры уменьшается непрерывно (рис. 3). а б Рис. 2. Перепад температуры на поверхности сферы в конце процесса нагрева в зависимости от наклона плоскости витка индуктора и относительного размера поперечного сечения индуктирующего проводника: а - круглой формы; б - квадратной формы Из приведенного графика следует, что для достижения наилучшей равномерности нагрева необходимо использовать индуктор квадратного сечения со стороной квадрата, примерно равной диаметру нагреваемой сферы. Однако в этом случае оказывается недостаточно места для размещения приспособлений фиксации и механизмов подачи детали. Электрическая эффективность индуктора такого сечения резко снижается (рис. 4). Из-за повышенной напряженности магнитного поля в области углов наблюдается сильная неравномерность распределения плотности тока J по сечению индуктора, которая усиливается с увеличением размеров, так для меньшего размера плотность тока увеличивается в 2,3 раза, а для большего - в 2,6 раза. К тому же в индукторе большого размера поверхность с высокой плотностью тока составляет всего 30 % от общей, тогда как в индукторе малого размера эта доля 45 %. Рис. 3. Перепад температуры на поверхности сферы в конце процесса нагрева в зависимости от отношения Rинд/Rсферы для индуктора квадратного сечения К тому же из рис. 3 видно, что начиная с относительного значения 55 % и больше влияние изменения размера индуктора уменьшается. Так, для относительных размеров сечения до 55 % скорость снижения перепада температуры в среднем составляет 40 °С, а для больших размеров эта величина снижается до 28 °С. а б Рис. 4. Распределение плотности тока по сечению индуктора: а - Rинд/Rсферы =25 %; б - Rинд/Rсферы =100 % Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующий вывод. Наиболее приемлемым вариантом конструкции рассмотренного в статье индуктора следует считать индуктор прямоугольного сечения с относительным размером сечения 55 % от радиуса нагреваемой сферы и наклоном плоскости витка индуктора 30°. В указанных условиях максимальный перепад температуры составляет 300 °С при ее максимальном значении 942 °С. В результате проведенных исследований получено значительное улучшение равномерности нагрева по сравнению с индуктором круглого сечения, хотя перепад температуры, требуемый по технологии, не достигнут. Исследования также показали, что достигнут практический предел возможности рассматриваемой конструкции индуктора. Для дальнейшего улучшения индукционной системы предполагается использование двухвиткового индуктора, сочетающего эффективность круглого и увеличенную поверхность взаимодействия прямоугольного индуктора.

About the authors

Nataliya N Klochkova

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Alla V Obukhov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Alexander N Protsenko

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files