Способ нагрева вращающихся изделий Советский патент 1992 года по МПК C21D1/06 C21D1/42 

Изобретение относится к области электротермии, в частности к способам индукционного нагрева под термическую обработку цилиндрических деталей со шлицевыми поверхностями.

Известен способ индукционного нагрева, реализуемый в одно или многовитковых индукторах цилиндрической формы (А.Д.Де- мичев. Поверхностная закалка индукционным способом. - Л.: Машиностроение, 1979, с.101).

Этому способу присуща неравномерность температуры нагреваемой зоны по длине из-за воздействия концевого эффекта при чисто продольном электромагнитном поле, характерном для данного индуктора.

Известен также способ индукционного нагрева, реализуемый в петлевой конструкции индуктора (М.Г.Лозинский. Поверхностная закалки и индукционный нагрев стали. - М.: Машгиз, 1949, с.176-178).

Недостатком этого способа является трудность достижения равномерности нагрева шлицевой поверхности из-за ограниченной возможности локального регулирования удельной мощности, передаваемой в деталь при постоянном напряжении на индукторе, обусловленной минимально допустимым зазором между индуктирующим проводом и деталью, а также падением КПД нагрева при увеличении этого зазора.

Наиболее близким по технической сущности, т.е. прототипом является способ индукционного нагрева реализуемый в индукторе 1. Нагрев детали производится в электромагнитном поле, образованном индуктирующими проводами, выполненными в виде петли, ветви которой охватывают деталь по длине, размещены оппозитно, а по концам и в центре соединены перемычками, наклоненными относительно продольной оси под углом а, меньшим 90°. При этом последние размещены по одну сторону от нагреваемой детали. Изменение угла наклона перемычек позволяет локально регулировать удельную мощность,

сл

с

VJ О 1CJ |00

VJ

|

передаваемую в деталь, что обеспечивает требуемое распределение температуры нагрева вдоль длинномерной переменного сечения детали типа вал.

Недостатком известного способа является невозможность получения равномерности нагрева по всей протяженности шлицевой части детали с соотношением высоты шлица к его ширине 1,5-2,5, обусловленная наличием ди,ст.о поперечного электромагнитного п оЛя индуктора, создаваемого на прямолинейный участках его ветвей.

Целью изобретения является расширение номенклатуры обрабатываемых изделий путем возможности обработки шлицевых изделий с соотношением высоты шлица и его ширине 1,5...2,5 при сохранении высокого качества нагрева.

Поставленная цель достигается тем, что способ нагрева подобных шлицевых изделий реализуется в петлевом индукторе,ветви которого изогнуты по спирали, причем угол и спирали и шаг т определяют по формуле:

а arcsin m/(r2-h);

Т (0,3-0,6)1 Г2/Э1,

где гп - шаг-шлицев у основания, мм;

Г2 - радиус нагреваемой детали, мм;

h - высота шлица, мм;

ai - ширина индуктирующего провода, мм;

I - длина шлицевой части детали, мм.

Коэффициент 0,3 в формуле для шага соответствует отношению высоты шлица к ширине, равной 1,5, а коэффициент 0,6 - отношению 2,5.

Предлагаемый способ индукционного нагрева вращающихся изделий иллюстрируется чертежами на фиг, 1, 2 и 3. Индуктор представляет собой изогнутые по винтовой линии прямую и обратную ветви 1 токопро- вода. охватывающие шлицевую часть детали 2 до зоны ступенчатого перехода 3. В зоне ступенчатого перехода 3 прямая и обратная ветви 1 индуктора замыкается кольцевой перемычкой 4.

Шлицевая часть детали вводится в рабочее пространство между ветвями прямого и обратного токопроводов. после чего включается напряжение питания, вызывающее протекание тока в прямой и обратной ветвях индуктора. Этот ток создает электромагнитное поле, индуктирующее в детали токи, разогревающие ее. За счет одновременного воздействия продольной и поперечной составляющих электромагнитного поля достигается равномерность распределения температуры по длине и сечению

шлицевой части детали, а следовательно и высокое качество ее нагрева.

Величина отношения - характеризует

отношение высоты шлица и его ширине, а угол наклона винтовой линии а показывает распределение продольной и поперечной составляющих напряженности электромагнитного поля в суммарной напряженности,

т.е. в конечном счете глубину прогретого слоя в поперечном сечении детали.

Проверка глубины прогретого слоя по сечению осуществляется анализом микрошлифов, которые дают визуальную картину

распределения закаленного слоя по контуру детали.

Шаг винтовой линии г определяет условия распределения температуры по длине шлицевой части детали от торца до

ступенчатого перехода.

При значениях шага т , меньших или равных длине нагреваемой зоны, наблюдается недогрев до нужной температуры торцевого конца шлица и конца примыкающего

к ступенчатому переходу, что обусловлено краевым эффектом.

Для определения оптимального значения шага используется вышеприведенное соотношение.

Для правильного выбора коэффициента

0,3...0,6 используются зависимости:

2 при -у- 0.3 применяется коэффициент

35

0,6

fj

при -р 0,6 применяется коэффициент

0,3.

Промежуточные значения коэффициента определяются интерполированием. П р и м е р. Рассмотрим характер распределения закаленного слоя при вариации угла а . Поскольку аргумент функции «является сложным, рассмотрим изменение а при варьировании m и фиксированных значениях Г2 и h (табл. 1), а также изменение а, при варьировании и фиксированных значениях Г2 и m (табл. 2). Пример с варьированием Г2 не рассматривается, т.к. этот случай перекликается с варьированием h и качественная картина сохраняется той же. 1, Радиус окружности вала га 30;

Высота шлица h 12; Шаг шлицев m 4, 6, 8, 10, 12 (расчетное значение 8). Табл. 1. Для расчетного значения m 8, расчетное значение и. составляет 0,44 рад.

При этом значении а распределение закаленного слоя по контуру сечения вала является равномерным.

При вариации значений m и соответственно о. в сторону уменьшения закаленный слой смещается с вершины шлица во впадину. При увеличении значения m и соответственно а- закаленный слой смещается к вершине шлицев.

2.Радиус окружности вала Г2 40; Высота шлица h 10, 12, 14, 18 (расчетное значение 14) (табл. 2).

Шаг шлицев m 6.

Для- расчетного значения h 14, расчетное значение а. составляет 0,23 рад.

При вариации h в ту или другую сторону распределение закаленного слоя по контуру сечения детали имеет ту же качественную характеристику, что и в примере 1.

Рассмотрим примеры определения оптимального значения шага винтовой линии г.

3.Шлицевой вал радиусом Г2 30 и

Г2

длиной шлицевой части I 150; -г- 0,2; К

Г2

0,7 К 03.

0

5

0

Результаты приведены в табл 4.

Экспериментальная проверка сущности изобретения осуществлена при изготовлении макетов индукторов для нагрева под поверхностную закалку шлицевых валов трактора К-701М.

Формула изобретения

Способ нагрева вращающихся изделий, включающий нагрев в петлевом индукторе, охватывающем изделие по всей длине, ветви которого располагают относительно продольной оси детали под углом а , меньшим 90°, отличающийся тем. что, с целью расширения номенклатуры обрабатываемых изделий, обеспечения возможности обработки шлицевых изделий с соотношением высоты шлица к его ширине 1,5-2,5 при сохранении высокого качества нагрева, ветви индуктора изгибают по спирали, причем угол а спирали и шаг г определяют по формуле

Сущность изобретения: нагрев шлице- вых изделий проводят в индукторе, ветви которого изгибают относительно продольной оси по спирали, причем угол о. спирали и шаг г определяют по формуле о. arcsin m/r2-h, т (0,3...0,6)lr2/ai, где m - шаг шлицев у основания, мм; Г2 - радиус нагреваемой детали, мм; h - высота шлица, мм; ai - ширина индуктирующего провода, мм; I - длина шлицевой части детали, мм. Способ позволяет нагревать шлицевые детали с соотношением высоты шлица к его ширине 1,5...2,5 при сохранении высокого качества нагрева. 2 ил., 4 табл.

Варьируется ширина индуктирующего провода ai. Длина нагретой части шлица 1Г Расчетное значение ат 16.

Результаты приведены в табл. 3.

Варьируется радиус вала Г2 от 50 до 90 с шагом изменения 10.

а arcsin

m

i 2 - h

(2

т (0,3. .0,6) I - ,

31

где m - шаг шлицев у основания, мм,

Г2 - радиус нагреваемой детали, мм,

h - высота шлица, мм;

ат - ширина индуктирующего провода, мм;

I - длина шлицевой части детали, мм

Т а б л и ц а 1

Таблица2

А

Фиг.1 дидА

ТаблицаЗ

3 4

f J

/Г Г1

i а,