Установки индукционного нагрева (установки ТВЧ)

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТГИ

Транзисторные генераторы ТГИ серийно выпускаются ООО «ИНТЕРМ» для питания индукционных установок мощностью до 160 кВт и выше в частотном диапазоне от 10 до 500 кГц.

Преимущества ТГИ:

• Высокий КПД – 96%
• Низкий расход охлаждающей воды – 0.1 л/мин на 1кВт
• Импульсные режимы
• Высокий уровень автоматизации, дружественный интерфейс
• Контроль и регулирование температуры нагрева
• Протоколирование процессов нагрева
• Защита и диагностика по многим параметрам

Номенклатура и общие технические характеристики выпускаемой ООО «ИНТЕРМ» серии транзисторных генераторов ТГИ приведены в разделе «ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ»

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Микроструктура стали

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

• Внешний датчик для контроля температуры: термопара (ХА) К-типа с нормирующим усилителем УСТ-К-1 ;
• инфракрасный пирометр (Lumasense technologies, Raytek GmbH, Mikron, Optris);

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

• одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
• петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
• фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

• одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
• непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Оборудование для выполнения индукционной закалки (ТВЧ)

Индукционная закалка требует специального технологического оборудования, которое включает три основных узла: источник питания — генератор токов высокой частоты, индуктор и устройство для перемещения деталей в станке.

Генератор токов высокой частоты это электрические машины, различающиеся по физическим принципам формирования в них электрического тока.

1. Электронные устройства, работающие по принципу электронных ламп, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – ламповые генераторы.
2. Электромашинные устройства, работающие по принципу наведения электрического тока в проводнике, перемещающихся в магнитном поле, преобразующие трехфазный ток промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты – машинные генераторы.
3. Полупроводниковые устройства, работающие по принципу тиристорных приборов, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – тиристорные преобразователи (статические генераторы).

Генераторы всех видов различаются по частоте и мощности генерируемого тока

Виды генераторов Мощность, кВт Частота, кГц КПД

Ламповые 10 — 160 70 — 400 0,5 — 0,7

Машинные 50 — 2500 2,5 — 10 0,7 — 0,8

Тиристорные 160 — 800 1 — 4 0,90 — 0,95

Поверхностную закалку мелких деталей (иглы, контакты, наконечники пружин) осуществляют с помощью микроиндукционных генераторов. Вырабатываемая ими частота достигает 50 МГц, время нагрева под закалку составляет 0,01-0,001 с.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

ИНДУКТОРЫ

Индукторы предназначены для формирования переменного магнитного поля, передающего энергию в металл для нагрева.

Конструкция индуктора определяется требованиями к локализации и интенсивности нагрева конкретной детали, поэтому для каждой нагреваемой детали должен быть сконструирован оптимальный индуктор.

Для нагрева цилиндров, внутренних поверхностей цилиндрических отверстий, плоскостей, сложных поверхностей, например, зуба или впадины между зубьями шестерни, проектируются водоохлаждаемые индукторы из медной трубки, в конструкции которых при необходимости используется магнитопровод и спрейер.

Для крупногабаритных деталей изготавливаются гибкие индукторы из провода или медной ленты.

ООО «ИНТЕРМ» выполняет расчет, проектирование и изготовление индукторов для нагрева деталей в различных технологических процессах. Изготовленный индуктор испытывается на образце детали на соответствие параметров нагрева техническому заданию, измеряются параметры эквивалентной схемы индуктора и диапазон их изменения в ходе нагрева детали. Эти данные используются для определения оптимальных параметров блока согласования – коэффициента трансформации согласующего трансформатора и емкости компенсирующего конденсатора.

Примеры индукторов, разработанных ООО «ИНТЕРМ» с использованием расчетных и экспериментальных методик, измеренные параметры индукторов и диапазоны их изменения в процессе нагрева приведены в разделе «ИНДУКТОРЫ»

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

• После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
• Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
• При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
• Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
• Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
• Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
• Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

БЛОКИ СОГЛАСОВАНИЯ

Индукторы разнообразны и имеют уникальные параметры, так как проектируются под конкретную деталь и технологический процесс. Для согласования серийного источника питания с конкретным индуктором используется согласующее устройство, включающее в свой состав высокочастотный согласующий трансформатор и конденсатор, компенсирующий реактивную мощность индуктора. Коэффициент трансформации и емкость конденсатора должны быть подобраны так, чтобы данный индуктор был оптимально согласован с генератором, т.е. в деталь передавалась номинальная мощность в частотном диапазоне работы источника питания.

Типовые конструктивные решения наших блоков согласования позволяют в короткие сроки изготавливать блоки с нужными параметрами путем прототипирования.

Дополнительные возможности по согласованию дают предусмотренные переключения коэффициента трансформации или емкости конденсатора.

В разделе «БЛОКИ СОГЛАСОВАНИЯ» приводятся схемы согласования и методика определения их оптимальных параметров исходя из диапазона изменения параметров индукторов в процессе нагрева.

Схема принципиальная электрическая

Схема индукционного нагревателя от 12В
Вот оригинальная схема генератора индукционного нагревателя, а ниже неё чуть изменённый вариант, по которому и была собрана конструкция мини ТВЧ установки. Ничего дефицитного тут нет — купить придётся только полевые транзисторы, использовать можно BUZ11, IRFP240, IRFP250 или IRFP460. Конденсаторы специальные высоковольтные, а питание будет от автомобильного аккумулятора 70 А/ч — он будет очень хорошо держать ток.

Проект на удивление оказался успешным — всё заработало, хоть и собрано было «на коленке» за час. Особенно порадовало что не требует сеть 220 В — авто аккумуляторы позволяют питать её хоть в полевых условиях (кстати, может из неё походную микроволновку сделать?). Можно поэкспериментировать в направлении чтобы снизить напряжение питания до 4-8 В как от литиевых АКБ (для миниатюризации) с сохранением хорошей эффективности нагрева. Массивные металлические предметы конечно плавить не получится, но для мелких работ пойдёт.

Полезное: Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Ток потребления от источника питания 11 А, но после прогрева падает до примерно 7 A, потому что сопротивление металла при нагреве заметно увеличивается. И не забудьте сюда использовать толстые провода, способные выдержать более 10 А тока, иначе провода при работе станут горячие.

Нагрев отвертки до синего цвета ТВЧ

Нагрев ножа ТВЧ

Сферы применения ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка на сегодняшний день является ведущим способом соединения полимерных материалов, а в некоторых случаях и единственно возможным. Ультразвуковая сварка пластмасс основывается на искусственно созданных механических колебаниях, которые прикладываются к зоне контакта и преобразовываются в тепловую энергию.

Ультразвуком сваривается большая половина известных термопластичных полимеров. Ультразвуковая сварка пластмасс тем более ценна, что для ряда полимеров она является единственно возможным надежным способом соединения. Полистирол, один из наиболее распространенных полимеров для изготовления различных изделий крупносерийного производства, наиболее рационально сваривать ультразвуком.

Станки УЗ-сварки применяются для сварки жестких полимеров и пластмасс, синтетических тканей, пластмасс с металлами, мягких пластмасс, искусственных кож.

Недостатками использования ультразвукового соединения являются довольно маленькая мощность процесса сваривания, что часто приводит к необходимости применять двухсторонний способ подвода энергии, и отсутствие точного и практичного метода контроля качества шва.

Муфельная печь для закалки металла

Муфельными называются печи, в которых обрабатываемый металл изолирован от нагревателей. Высокотемпературные электронагреватели сделали электрическую муфельную установку наиболее востребованным видом подобного оборудования.

Муфельная печь для закалки металла

Традиционно печь состоит из:

• Металлического корпуса и муфеля, выполненного из термостойкого материала и формирующего рабочую камеру;
• Нагревателей спирального типа, накрученных на керамические трубки и размещенных в пазах муфеля;
• Теплоизоляции, которая заполняет промежуток между рабочей камерой и корпусом;
• Керамической дверцы;
• Отверстия на задней поверхности для использования термопары, обеспечивающей контроль над температурой;
• Терморегулятора, работающего в автоматическом режиме.

В муфельных устройствах, как правило, реализован трехсторонний обогрев, обеспечиваемый нагревателями на боковых поверхностях и поде. Благодаря такому размещению нагревателей температура более равномерно распределяется в рабочем пространстве.

Высококачественная изоляция в несколько слоев минимизирует теплопотери и способствует экономии электроэнергетических ресурсов. Плиты из огнеупорной керамики или из жаропрочной нержавеющей стали предоставляет защиту пода устройства.

Во многих современных моделях дверь открывается вверх, благодаря чему оператор надежно защищен от теплового излучения. Датчики отключают ток в тот момент, когда открывается дверь.