Индукционная поверхностная закалка

Содержание

 

1. Индукционная поверхностная закалка

1. Общие сведения об индукционном нагреве………………………...3
2. Исходные данные и задача расчета………………………………….3
3. Расчет параметров…………………………………………………….5

 

2. Упрочнение деталей поверхностным  пластическим деформированием

2.1 Общие сведения ……………………………………………………..10

2.2 Исходные данные и задача  расчета…………………………………10

2.3 Расчет параметров дробеударного  упрочнения резьбы…………...11

2.4 Расчет параметров алмазного  выглаживания цилиндрической

      поверхности…………………………………………………………..12

 

3. Список использованных  источников……………………………………….14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Индукционная поверхностная закалка
1. Общие сведения об индукционном нагреве

 

В основе метода лежат  два физических закона: закон электромагнитной индукции Фарадея (возникновение индукционных токов в проводнике, который находится в переменном магнитном поле); и закон Джоуля-Ленца (нагрев проводников электрическом током).

Закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Закон Джоуля–Ленца: Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током: .

 

2. Исходные данные и задача расчета

 

Диаметр заготовки  =50 мм.

Длина заготовки подвергаемой закалке =50 мм.

Материал детали: Углеродистая сталь 12Х2Н4А

 

 

Рис.1 Эскиз детали

 

 

 

Характеристики материалов:

Плотность стали 

Удельная теплоемкость

Теплопроводность 

Температуропроводность  =20

Удельное электрическое  сопротивление  =1.2

 

Характеристики  индуктора:

 

Число витков

Покрытие Ан.Окс.100 из.

- сплав (АМГ6)

Удельное электрическое  сопротивление (АМГ6)

 

Рис.2. Индуктора с деталью

1- индуктор; 2- канал для протока  воды; 3-деталь 

 

 

Температурный режим:

 

Температура поверхности 

Минимальная

Скорость нагрева 

 

Задача расчета:

 

- Расчитать глубину закаленного  слоя на частотах 

- Необходимую плотность мощности

- Амплитуду тока в  индукторе    А.

- Мощность технологической  установки 

- Выбрать схему нагрева  и охлаждения детали

- Привести эскиз индуктора

- Дать рекомендации  по выбору частоты в зависимости от глубины закалки.

 

3. Расчет параметров

 

Толщина скин-слоя (1):

 

               (1)

 – удельное электрическое  сопротивление материала заготовки

 относительная магнитная проницаемость, m = 1;

 магнитная постоянная, = 1,257

– частота,

Для одновиткового индуктора  шаг намотки S равен длине индуктора L.

Времени нагрева  находим по формуле (2):

 

                          (2)

                                             с.

Толщина скин-слоя в зависимости от частоты тока , где - частота в :

 

 

            

              

 

Запишем толщину скин-слоя d в безразмерном виде :

 

 

                    

                 

 

Здесь  – безразмерный параметр.

По графику на рис.3. определим  при :

 

Рис.3. Решение задачи нагрева одномерного полубесконечного

тела  внутренними источниками теплоты

 

                 

                 

 

Зная безразмерную , определим Y :

 

                     

                      

                      

По графику на рис.3 определим  глубину закалки  в безразмерном виде:

 

                         

                       

 

Переведем в размерный вид используя выражение :

 

                      

                     

 

         На основе проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что при увеличении частоты тока глубина закалки уменьшается. Наилучший результат был получен при при глубине закалки или 2.55 мм.

        Расчет  плотности мощности.

 

        Обычно при расчетах плотность  мощности  определяется из условия заданных и времени нагрева по формуле :

 

              (3)                     

 

                 

               

             Из полученных плотностей тока выберем наибольшую , т.к. она обеспечивает необходимую мощность электромагнитной энергии на всех частотах.

    

     Расчет амплитуды тока в индукторе.

 

Амплитуда тока в зависимости от частоты :

 

           (4)   

 

                     

                   

 

Наибольшая амплитуду  тока в индукторе:                    

Расчет мощности технологической установки.

 

 

 будем выбирать из соотношения:

,                    

где  кпд блока питания;

        находится по формуле:

-длина индуктора, равная длине  обрабатываемого участка

    

 

Мощность технической установки 

Выберем из ряда мощностей технической установки 16; 25; 63; 100; 160

т.е.

Тогда необходимая плотность мощности:

 

 

               

                                                          

или

                                          

        

           В  связи с выбором мощности установки  необходима коррекция времени  и скорости нагрева, а также амплитуды тока:

Из выражения (3) получаем:

 

с.

Из (2) выражение для  :

    

 

Из выражения (4) для амплитуды  тока получаем:

 

 

Рекомендации по выбору частоты и режимам нагрева и охлаждения:

        

        Для получения максимальной глубины  закаленного слоя рекомендуется  назначить частоту равной 10

После закалки рекомендуется применить охлаждение в воде или масле и отпуск  для снятия внутренних напряжений при Т =200°С.

 

2.Упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием.

2.1 Общие положения.

 

 

         Обработка дробью применяется  для упрочнения разнообразных деталей планера и двигателей летательных аппаратов – лонжеронов, бимсов, монорельсов, деталей шасси, обшивок, панелей, лопаток турбины и компрессора, подшипников и т.д.

         Сущность дробеударного упрочнения  заключается в бомбардировке  поверхности детали потоком дроби, обладающей значительны запасом кинетической энергии. Источником энергии дроби является струя газа, жидкости, центробежная сила или ускорение силы тяжести. В зависимости от типов и конструктивного исполнения технологических установок (оборудования) скорость дроби может изменяться от 10 до 100 .

         Основным достоинством дробеударной  обработки является возможность  эффективного упрочнения деталей  различной конфигурации, имеющих  мелкие надрезы, пазы, галтели и резьбовые поверхности.

         Усталостная прочность детали  после упрочнения дробью повышается на 15…50% в зависимости от марки материала и режимов упрочнения. Изменения размеров деталей после дробеударного упрочнения незначительны и исчисляются микронами. Поэтому точностные характеристики деталей определяются операциями, предшествующими упрочнению (шлифование, чистовое точение и др.).

2.2 Исходные данные и задача расчета

       

Эскиз детали приведен на рис.1.

Деталь изготовлена из стали 12Х2Н4А;

Предел прочности 

Плотность стекла

Предварительная обработка детали: термоупрочнение и чистовое точение  с шероховатостью:

После обработки ППД исходная шероховатость не должна ухудшиться.

Для обработки резьбы (см. рис.4.) использовать стеклянную дробь. Диаметр стеклянной дроби из следующего ряда: 100; 160; 200; 250

 

Рис.4. фрагмент резьбы детали

            

     

   Задача расчета

 

        Расчитать  параметры дробеударного упрочнения  резьбы и алмазного выглаживания цилиндрической поверхности.

2.3. Расчет параметров дробеударного упрочнения резьбы.

 

Назначим диаметр стеклянной дроби согласно исходным требованиям ( < ). Здесь -диаметр стеклянной дроби, -диаметр лунки резьбы (рис.4) .

При пластическом внедрении шарика в поверхность (рис.5.) баланс энергии и работы имеет вид:

         (1)      

Рис.5. Пластическое внедрение шарика

в поверхность

 

Здесь:

    – масса шарика:

          (2)

 

– работа сил сопротивления:

 

         (3)   

 

После подстановки (2) и (3) в (1)получаем:

 

 

отсюда при HB » 3s_В имеем глубину отпечатка:

 

         

 

при    скорость вылета шарика :

       

 

Глубина упрочненного слоя находится из соотношения:

Если учесть, что  <<d, то площадь поверхности отпечатка шарика диаметром приблизительно равна площади круга с диаметром d :

         (4)

Из (4) выражение для  :

 

       

глубина наклепанного слоя  равна:

     

 

 

2.4 Расчет параметров алмазного выглаживания цилиндрической части.

        

 

             Алмазное выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом-выглаживателем, что позволяет получить упрочненную поверхность с низкой  шероховатостью и сжимающими остаточными напряжениями, распространяющимися на значительную глубину. При этом в месте контакта инструмент-деталь (в очаге деформирования) происходит локальный переход металла в состояние текучести, в результате чего изменяются характеристики поверхностного слоя, что в итоге повышает сопротивление усталости деталей при эксплуатации.