Закалочной температуры

Выпускаются генераторные станции (ГС) мощностью 100 и 200 кВт при 2400 и 8000 Гц, состоящие из одного или двух преобразователей типа ВПЧ, блока охлаждения, контакторного шкафа и шкафа управления генераторами. Станции ГС входят в состав индукционных закалочных установок ИЗ, а также служат для создания установок различного назначения. Аппаратура ГС обеспечивает пуск, подключение к нагрузке, защиту и автоматическую стабилизацию напряжения генератора. Возбуждение генераторов производится тиристорным возбудителем ВТ-20 (ток до 20 А, напряжение до 200 В). Аналогичная аппаратура разработана для создания систем индивидуального или централизованного питания с преобразователями ОПЧ [41, 46]. Наличие комплектных шкафов позволяет легко создавать станции различного назначения и мощности.

На средней частоте используются трансформаторы с замкнутой магнитной цепью броневого типа. Особенностью трансформаторов является высокая концентрация электромагнитной энергии и малые габариты, что позволяет встраивать их в закалочные станки и технологические линии. В некоторых многопозиционных станках, например в станках для закалки коленчатых валов, требование малых размеров трансформаторов является одним из основных. Трансформаторы универсальных закалочных установок и регулировочные автотрансформаторы кузнечных нагревателей должны иметь переменный коэффициент трансформации. Закалочные трансформаторы работают на нагрузку с коэффициентом мощности 0,2—0,4, часто в повторно-кратковременном режиме. Все трансформаторы имеют водяное охлаждение обмоток и магнитной цепи. Имеются три основные конструкции трансформаторов. Трансформаторы с цилиндрическими обмотками (ВТО-500, ВТО-1000) имеют одновитковую вторичную обмотку и помещенную внутрь нее много-витковую первичную. Магнитная система охлаждается радиаторными листами с припаянными к ним трубками охлаждения. Трансформаторы просты и экономичны, но для изменения коэффициента трансформации (&гр) требуют смены первичной обмотки. Серийно такие трансформаторы не выпускаются, но изготавливаются многими заводами для своих потребностей. Мощность трансформаторов 500 и 1000 кВ-А, частота 2,5 и 8 кГц. Трансформатор ТВД-3 имеет дисковые первичные и вторичные обмотки, что обеспечивает хорошее использование меди. Трансформатор имеет 44 ступени трансформации за счет переключения первичных и вторичных витков. Мощность 2000 кВ-А, частота 2,5-8 кГц [41].

Большинство машиностроительных деталей закаливается на частотах 2,5—10 кГц при мощностях 50—200 кВт, что обусловило разработку и выпуск универсальных закалочных установок типа ИЗ. Установки имеют мощность 100 и 200 кВт при частотах 2,4 кГц или 8 кГц. В их состав входят генераторная станция, включающая в себя один или два вращающихся преобразователя типа ВПЧ, аппаратуру пуска и блок охлаждения, и закалочная станция. Закалочная станция состоит из нагревательного блока, содержащего трансформатор, конденсаторы и элементы системы охлаждения, из шкафа управления и сливного блока, имеющего водяную турбинку для вращения деталей. Закалочная станция под-

Надежность закалочных установок во многом определяется работой системы охлаждения. Количество воды для охлаждения конденсаторов, трансформаторов и источника питания определяется по их паспортным данным. Расход воды для охлаждения индуктора и токопровода (м3/с) определяется по формуле

Ориентировочно для закалочных установок расход охлаждающей воды (м3/ч) составляет (без учета преобразователей)

Опыт эксплуатации закалочных установок показал их высокую надежность и безопасность при обслуживании. Монтаж закалочных устройств и линий передачи должен производиться с учетом требований ПУЭ [261. Конструкция станка должна исключать возможность случайного прикосновения к -злементам, находящимся под высоким напряжением (конденсаторы, выводы первичной обмотки трансформатора и т. п.). Вторичная обмотка трансформатора и все металлические конструкции станка должны быть заземлены. Напряжение на индукторе составляет несколько десятков, а иногда и сотни вольт и может служить причиной поражения персонала. Запрещается прикасаться к индуктору, находящемуся

Широко применяют циркуляционную систему охлаждения сварочных трансформаторов и высокочастотных закалочных установок. Так, на охлаждение одного сварочного трансформатора мощностью 50 кВ-А расходуется около 0,5 м3 воды в час, или при двух-

В настоящее время на различных предприятиях страны работают несколько десятков тысяч закалочных установок. Мероприятия по улучшению их использования, введение обоснованных норм расходования электроэнергии наряду с дальнейшим расширением номенклатуры закаливаемых деталей и повышением качества закалки являются неотложной задачей на ближайшее время. Автор надеется, что данная брошюра окажется полезной для инженерно-технических работников машиностроения, занимающихся поверхностной закалкой изделий.

В первые годы развития поверхностной индукционной закалки использовался диапазон частот от 500 или 1000 Гц (для закалки крупных валов холодной прокатки) до коротковолнового радиодиапазона для закалки швейных игл. Производство закалочных установок с ламповыми генераторами имело мощную базу в радиопромышленности. Выпуск закалочных установок среднечастотного диапазона базировался на производстве основного оборудования для индукционных бессердеч-никовых плавильных печей на частоту 2 кГц, а также 1 и 0,5 кГц. Использовались также отдельные установки с машинными преобразователями на частоты 5, 15, 18 кГц и др.

В. П. Вологдиным и его сотрудниками были разработаны теоретические основы выбора частоты источников питания закалочных установок [1]. На основе выводов разработанной теории определилась шкала частот. Появились также тиристорные преобразователи (пока опытные образцы), используемые для поверхностной закалки на частотах 0,8—1,3 и 2,5 кГц. Подготавливается выпуск тиристорных преобразователей на частоту 8 кГц. В диапазоне радиочастот выпускаются серийно ламповые генераторы на частоту 70 и 440 кГц.

Комплект закалочных установок приходится дополнять системой снабжения охлаждающей водой, закалочной жидкостью, насосами, теплообменниками и т. д.

Одновременная закалка заключается в одновременном нагреве всей закаливаемой поверхности детали или отдельного ее участка до закалочной температуры и затем— одновременном охлаждении нагретой поверхности охлаждающей жидкостью. Обычно охлаждающую воду подают через отверстия в активном витке ( 3.26, а, б) индуктора после выдержки времени нагрева, в течение которой происходит разогрев поверхности детали. При использовании масла в качестве охлаждающей среды деталь после нагрева сбрасывают в масляный бак.

В пределах горячей глубины проникновения при достаточной мощности источника питания нагревательного устройства поверхностный слон может быть доведен до закалочной температуры в течение нескольких секунд и даже долей секунды. Горячая глубина проникновения в сталь является для техники индукционного нагрева табличной — справочной величиной.

Рассмотрим 8, б, где представлено распределение температур по сечению цилиндра на 1—5 с процесса охлаждения при исходной кривой, являющейся зеркальным отражением распределения температуры конца нагрева (жирные линии). В данном случае охлаждение осуществлялось в спокойной воде, в калориметре, куда образцы сбрасывались после конца нагрева. Начиная примерно с первой секунды процесс охлаждения установился. Как видно из 8, б, несмотря на интенсивную отдачу теплоты с поверхности в воду, распространение теплоты внутрь продолжалось в течение значительной части периода охлаждения. Наибольшее продвижение внутреннего фронта тепловой волны зафиксировано на третьей секунде охлаждения, когда температура на поверхности упала приблизительно до 350 °С; при этом глубина слоя, прогретого до закалочной температуры, увеличилась до 4 мм (точка 6' ( 8,6), а глубина слоя, прогретого до 600° С, возросла до 6,5 мм (точка 3'), После того как температура поверхности установилась (кривая для 5с длительности охлаждения), продолжается дальнейший отбор теплоты из детали.

свое место и индукторы разошлись на достаточное расстояние, в спрейеры обоих индукторов подается закалочная жидкость. Ее струи ударяются о нагретую поверхность кольца, отражаются от перегородки 3, препятствующей взаимному проникновению струй охладителя от одного индуктора в зону нагрева под другим, и сливаются вниз. Далее каждым из закалочных индукторов независимо продолжается процесс закалки с непрерывно-последовательным нагревом своего полукольца до сближения на участке диаметрально противоположном исходной позиции. Сблизившись, индукторы опять нагревают как один; за доли секунды после остановки (сведения вплотную до упоров) индукторов поверхность кольца посередине под ними доходит до закалочной температуры и нагрев выключается По мере прохождения индукторов через устройство дополнительных спрейеров 4 последние автоматически разворачиваются вслед за ними и подают закалочную жидкость в зону под индукторами. Таким образом, кольцо оказывается закаленным по всей поверхности без стыков, нахлестов, микротрещин, мягких пятен и тому подобных дефектов. Магнит-

При нагреве данной системы цилиндров в общем кольцевом индукторе с током достаточно высокой частоты, чтобы удельная мощность нагрева была одинаковой как для большого, так и малых цилиндров, вследствие ограниченного теплоотсоса внутрь для малых цилиндров, последние достигают закалочной температуры на поверхности раньше, чем большой. При значительном понижении частоты электрический к. п. д. системы индуктирующий провод — малые цилиндры может упасть настолько низко, что малые цилиндры будут уже отставать в нагреве от большого, в лучшем случае дойдут до температуры точки Кюри и не могут быть нагреты до закалочной. Очевидно, что существует некоторая промежуточная частота тока — оптимальная, при которой поверхности малых и больших цилиндров могут быть одновременно доведены до закалочной температуры. При достаточно быстром нагреве глубина закаленного слоя окажется равномерной.

При определении частоты и других параметров режима нагрева температура нагрева поверхности принималась равной 900 °С. Графики 8 показывают, что особенность распределения температуры по глубине слоя, нагретого до закалочной температуры и выше, обуславливают значительную зависимость глубины закалки от конечной температуры нагрева поверхности. Увеличение температуры нагрева поверхности на 50 °С выше принятой формально (в отношении глубины закалки) эквивалентно снижению частоты, например с 10 до 4 кГц, т. е. приблизительно в 2,5 раза. Однако этот эффект неизбежно связан с ухудшением

На графиках для определения тока в индуктирующем проводе данной ширины, точки которых отвечают определенному значению удельной мощности нагрева, проведены пунктирные нисходящие линии, пересеченные цифровым индексом, и являющиеся геометрическим местом точек постоянного значения удельной мощности нагрева, а следовательно, и постоянному значению глубины слоя, нагретого под закалку. Цифровой индекс в кружках на нисходящих двойных пунктирных линиях означает глубину слоя в мм, прогретого до закалочной температуры.

кольцом может быть, если нагреваемая деталь достаточно массивна, так что за время перемещения из индуктора в охлаждающее кольцо она не успеет остыть ниже закалочной температуры. Многовитко-

На 8-3 приведен индуктор для одновременной термообработки четырех кулачков автомобильного распределительного вала. Диаметры средних витков несколько больше, чем крайних. Они подобраны опытным путем так, чтобы все нагреваемые элементы достигали закалочной температуры одновременно. При одинаковом диаметре всех витков напряженность поля индуктора в середине его больше, чем у краев, поэтому средние кулачки греются быстрее крайних. Планки / из меди последовательно соединяют между собой витки. Штуцеры 2 служат для подвода воды, охлаждающей токоподводящие шины, штуцеры 3 для подвода закалочной жидкости, охлаждающей закаливаемые кулачки.

Для нагрева венца маховика была использована высокочастотная установка (МГЗ-252) мощностью 250 кет, частотой 2500 гц. При использовании 90% номинальной мощности установки и одновиткового индуктора с рабочим зазором 6 мм время нагрева до закалочной температуры (900° С) составило 48—50 сек. Проведенные предварительные опыты подтвердили практическую невозможность использования «чисто водяного охлаждения» из-за образования трещин на значительной части зубьев, поэтому от такого способа охлаждения при-