2015-04-01
1241
Технико-экономические показатели установок для индукционной поверхностной закалки в значительной мере определяются выбором частоты. От выбора частоты зависят и механические свойства закаленного слоя, а также прочность закаленной детали в целом, в первую очередь ее усталостная прочность.
Выбор частоты определяется следующими основными факторами: глубиной закаленного слоя, удельными потерями в индукторе, электрическим КПД индуктора, полным КПД установки и затратами электроэнергии из сети 50 Гц.
Глубина закаленного слоя выбирается на основании технологических требований. При этом необходимо учитывать износ детали во время работы и удельные нагрузки, которым она подвергается, а также распределение остаточных напряжений, определяющее усталостную прочность. Проведенные исследования показывают, что цилиндрические образцы малых и средних размеров обнаруживают наибольшую прочность, если глубина закаленного слоя удовлетворяет соотношению [1, 3]:
,
где 
— глубина закаленного слоя, т.е. слоя, нагретого выше температуры магнитных превращений (обычно на глубине содержится не менее 50% мартенсита, и твердость — не менее 80% от твердости на поверхности); 
— диаметр образца.
У крупных деталей это соотношение может быть меньше. Далее будем считать глубину закаленного слоя заданной.
Реализовать большую производительность при малом перепаде температуры в нагретом слое можно путем применения глубинного типа нагрева. При этом будет получен и наиболее высокий термический КПД. Для получения глубинного типа нагрева необходимо соблюдать условие:
где 
— горячая глубина проникновения тока; — глубина закаленного слоя, или при 
=10–6 Ом·м и 
=1
.
Неравенство, определяющее верхний предел частоты, может быть переписано в более удобном виде:
.
С уменьшением глубины закаленного слоя при неизменной частоте увеличивается необходимая удельная мощность при одновременном уменьшении времени нагрева. Приблизительно в таком же соотношении будут возрастать и удельные потери в индукторе:
,
где 
— удельные потери в индукторе, 
— удельная мощность, передаваемая в деталь, 
— электрический КПД индуктора, равный обычно 75…85%, 
— активная поверхность индуктирующего провода, 
— нагреваемая поверхность.
Так как 
, то:
.
Опыт показывает, что в производственных условиях недопустимо применять режимы работы, при которых >0,4 кВт/см2=4·106 Вт/м2, т.к. при этом индуктор часто выходит из строя вследствие нестабильности охлаждения. Это условие позволяет связать минимальную допустимую глубину закаленного слоя с частотой [1]:
,
где 
— наименьшая допустимая глубина закаленного слоя, м.
Формулы и могут быть объединены в одну:
.
Из широкой полосы частот, определяемых неравенством, оказывается возможным выделить некоторую оптимальную частоту. Экспериментальные исследования [1] показывают, что максимум полного КПД, включая термический, достигается при
,
или если принять 
.
Хотя оптимум выражен не очень сильно, формула может служить для уточнения выбора частоты в диапазоне, указываемом неравенством.
Зависимость электрического КПД индуктора от частоты определим для случая нагрева деталей с постоянными по всему сечению удельным сопротивлением и магнитной проницаемостью. С ростом частоты КПД повышается от нуля (при 
) до некоторой предельной величины, определяемой значениями удельных сопротивлений, и магнитных проницаемостей индуктора и нагреваемого объекта, а также соотношением их размеров.
Кроме того, минимальная частота для процесса закалки ограничивается краевыми процессами и зависит от отношения 
: при большом (индуктор короткий) частота должна быть выше, и при уменьшении частота может быть снижена.
В работе [1] приводится формула для уточнения минимальной частоты в зависимости от :
,
где 
, ее значения определены для 
=1,05…1,1 при условии 
=0,8 и приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2 Значения  при условиях, наиболее характерных для поверхностной закалки | |||||
| | 1,0 | 2,0 | 5,0 | 10,0 | |
 | 2,2 | 4,5 |
В большинстве случаев частота, определенная по формуле, лежит внутри полосы частот, определяемой формулой. Поэтому формула наряду с формулой служит для уточнения частоты внутри этой полосы.
На основании приведенных соображений выберем частоту.
Оптимальная частота:
Гц = 26,67 кГц.
Минимальная частота:
Гц = 6,67 кГц.
Максимальная частота:
Гц = 111,11 кГц.
Определим также минимальную частоту с учетом соотношения
,
которая обеспечивает КПД индуктора выше, чем 0,8 от предельного:
Гц = 11,25 кГц.
Отечественная промышленность выпускает генераторы частотой 10 и 66 кГц, которые могут быть использованы для закалки на глубину 1,5·10–3 м. Выбираем частоту 66 кГц, так как малую глубину закалки легче реализовать при более высокой частоте.
