Выбор частоты

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.