Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Практикум

31

Продолжение таблицы 4

ЗначениефункцииS(α,β,Fо)равном

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

-0,0247

-0,0249

-0,0250

-0,0247

-0,0249

-0,0250

-0,0236

-0,0244

-0,0246

-0,0247

-0,0248

-0,0224

-0,0238

-0,0244

-0,0246

-0,0247

-0,0199

-0,0277

-0,0240

-0,0245

-0,0247

-0,0439

-0,0470

-0,0485

-0,0495

-0,0497

-0,0435

-0,0469

-0,0485

-0,0494

-0,0497

-0,0412

-0,0453

-0,0474

-0,0485

-0,0488

-0,0376

-0,0428

-0,0456

-0,0472

-0,0476

-0,0322

-0,0391

-0,0433

-0,0454

-0,0460

-0,0658

-0,0754

-0,0816

-0,0850

-0,0861

-0,0649

-0,0748

-0,6311

-0,0849

-0,0856

-0,0609

-0,0712

-0,0779

-0,0817

-0,0829

-0,0547

-0,0659

-0,0734

-0,0776

-0,0790

-0,0461

-0,0584

-0,0667

-0,0715

-0,0731

-0,0758

-0,0895

-0,0990

-0,1045

-0,1063

-0,0747

-0,0885

-0,0980

-0,1036

-0,1054

-0,0699

-0,0840

-0,0937

-0,0995

-0,1013

-0,0626

-0,0771

-0,0872

-0,0932

-0,0951

-0,0526

-0,0677

-0,0782

-0,0845

-0,0864

-0,0850

-0,1025

-0,1150

-0,1225

-0,1250

-0,0837

-0,1012

-0,1137

-0,1212

-0,1237

32

ЗначениефункцииS(α,β,Fо)равном

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

-0,0783

-0,0958

-0,1083

-0,1158

-0,1183

-0,0700

-0,0875

-0,1000

-0,1075

-0,1100

-0,0587

-0,0762

-0,0887

-0,0962

-0,0987

Пример расчета параметров нагрева ТВЧ и выбор оборудования

Исходные данные:

- температура закалки t

к

= 850 °С

- диаметр детали 50 мм = 0,05 м ;

- глубина закаленного слоя Х

к

= 5 мм = 0,005 м;

- средняя теплоемкость стали С = 528 Дж/ (кг⋅К)

- теплопроводность стали λ = 35,2 Вт/ (м⋅К)

7550

1025

105

1

3

,

К

=

⋅

−=β

−

Гц

)(

f 2400

105

106

23

2

=

⋅

〉

−

Принимаем частоту равной 2500 Гц

м

.

K

2

101

2500

5030

−

⋅==Δ

6.0

161

−=

+

−

=m

50

11

105

2

3

.

K

X

K

=

⋅

=

Δ

−

Тогда М = 0,614 из таблицы

Δ = 1⋅10

-2

⋅0,614 = 0,614⋅10

-2

м

7550

1025

106140

1

3

2

,

=

⋅

−=α

−

t

0

= 850 + 150 = 1000 °С

,.

t

K

O

1751

850

1000

==

принимаем Fо=0.15

33

161

03660150

06430150

,

,,

t

K

O

=

+

=

с/м,

,

а

6

10558

7800528

235

−

⋅=

⋅

=

Так как найденная частота равна 2500 Гц, выбираем машинный пре-

образователь

2

3

0

5230

064301501050

101273235251

м/кВт

),,(

,,

Р =

+⋅⋅

⋅⋅⋅

=

−

S

H

= π⋅d⋅l = 3,14⋅50⋅10

-3

⋅0,02 = 3,14⋅10

-3

м

2

кВт,

,,,

,

Р

Д

439

7085070

101435230

3

=

⋅⋅

=

−

По справочным данным выбираем установку с машинным преобразо-

вателем типа И39-100/2,4.

Контрольные вопросы

1. При индукционном нагреве используются ток высокой частоты по-

тому, что _____________; ток низкого напряжения потому, что

_______________; ток большой силы потому, что __________________.

2. Чем меньше глубина закаленного слоя, тем больше должны быть

следующие параметры идукционного нагрева: ________________.

3. Перечислите причины особенностей охлаждения при закалке с ин-

дукционного нагрева по сравнению с печным нагревом.

4. Укажите способ и параметры поверхностной термообработки, при

которой нагрев производится до оплавления поверхности.

5. Укажите способ и параметры локальной поверхностной термообра-

ботки узких пазов сложной геометрической формы.

6. Укажите исходные данные для расчета параметров нагрева ТВЧ.

7. Перечислите основные типы источников тока высокой частоты.

8. От чего зависит выбор оборудования при закалке

ТВЧ?

9. Почему важно знать размеры деталей при закалке ТВЧ?

10. Какие дефекты могут присутствовать при закалке ТВЧ? Как их уст-

ранить?

34

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 11

Расчет мощности установки т.в.ч. и определение конструкции индуктора

Цель занятия: освоить методику расчета мощности установки в зави-

симости от способа нагрева

Решаемые задачи:

1. Усвоить способы нагрева изделий при закалке т.в.ч.;

2.

Определить мощность установки в зависимости от способа нагрева;

3.

Проработать конструкцию индуктора при различных способах на-

грева изделий;

4.

Сделать выводы.

При т.в.ч. используются следующие основные способы нагрева: одно-

временный, непрерывно-последовательный и по частям. При одновременном

способе нагрева нагревается все изделие сразу, что требует максимальной

мощности установки. Закалку непрерывно-последовательным способом при-

меняют в основном, при обработке длинномерных деталей постоянного се-

чения. При этом нагреваемое изделие непрерывно

движется через индуктор,

где осуществляется нагрев до заданной температуры участка детали. При вы-

ходе из индуктора этот нагретый участок попадает в зону закалочного охла-

ждения спрейером. Такой способ нагрева требует средней мощности устано-

вок. При нагреве по частям каждая деталь изделия греется отдельно. Дан-

ный способ нагрева требует минимальной мощности

установки.

Выполнить расчет мощности установок т.в.ч. по формулам 12 и 13 за-

нятия 9,10 для крупномодульной шестерни m = 8-15 мм, высота – 70-100 мм,

при одновременном нагреве всего изделия и при нагреве по впадинам зуба.

На основании выполненных расчетов прорисовать конструкцию индукторов

(схемы) для двух способов нагрева.

Контрольные вопросы

1. Что относится к энергетическим и термическим параметрам индук-

ционного нагрева?

2. Как ведется последовательный и непрерывно-последовательный на-

грев?

3. От чего зависит температура нагрева при высокочастотной закалке?

4. Как проводят выбор оптимальных режимов нагрева под закалку?

5. Как определяется мощность установки, расходуемая на нагрев дета-

ли?

6. Для детали простой формы (например, оси) докажите расчетом, что

непрерывно-последовательный нагрев ТВЧ требует меньшей мощности гене-

ратора, чем одновременный нагрев.

35

7. Какие исходные данные необходимо знать для расчета времени на-

грева при закалке ТВЧ?

8. Из каких показателей складывается время нагрева под закалку ТВЧ?

36

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 12, 13, 14

Расчет времени нагрева, выдержки и охлаждения деталей

при химико-термической обработке

Цель занятия: освоить методику расчета параметров времени нагрева

и охлаждения деталей при ХТО

Решаемые задачи:

1. Назначить вид ХТО и выбрать схему окончательной термической

обработки (ОТО) изделия;

2.

Выбрать температурные параметры ХТО и ОТО;

3.

На основании индивидуальных заданий, выданных преподавателем,

по справочникам выбрать исходные данные для расчета;

4.

Рассчитать время нагрева, выдержки, подстуживания, охлаждения

изделия для выбранной схемы термообработки. Расчет провести для одного

изделия;

5.

Сделать выводы.

1. Исходные материалы и данные для расчета:

−

чертежи деталей;

−

марки сталей;

−

эффективное сечение изделия;

−

температура цементации;

−

температура подстуживания;

−

глубина насыщенного слоя: 1,0-1,2 мм - цементованного, 0,6 – 0,9

мм – нитроцементованного;

−

начальная температура деталей - 20 °С;

−

концентрация углерода на поверхности после насыщения при це-

ментации - 0,9 %;

−

концентрация углерода на заданной глубине - 0,45 %;

−

максимальная температура радиационных труб в зоне нагрева: 1 000

°С при цементации и 900 °С при нитроцементации;

2. Расчет продолжительности газовой цементации

Суммарная продолжительность процесса цементации (

∑

τ ) состоит из

времени нагрева (

H

τ ) до температуры цементации; времени насыщения по-

верхности деталей углеродом (

Ц

τ

), когда идут процессы образования актив-

ных атомов углерода в насыщающей среде вблизи поверхности или непо-

средственно на поверхности деталей, адсорбции активных атомов поверхно-

стью и диффузии адсорбированных атомов в металл; времени подстуживания

до температуры закалки (

n

τ ):

nЦH

τ

+

τ

+

τ

=

τ

∑

(1)

37

2.1. Расчет времени нагрева

Время нагрева одной детали:

эф

H

a

)/S(Fo

2

=τ

(2)

где τ

н

- время нагрева деталей, с (с переводом в часы или минуты);

S - эффективная толщина садки или детали, м;

эф

a - коэффициент эффективной температуропроводности деталей, м

2

/с;

Fо - критерий Фурье (находится по графикам зависимости Fo-Bi-θ ).

Эффективный критерий Био:

эф

i

S

В

'

)2/(

λ

α

∑

=

(3)

где Bi - критерий Био ;

∑

α

- эффективный коэффициент теплопередачи, Вт/(м

2

⋅К);

эф'

λ

- эффективная теплопроводность материала деталей, Вт/(м ⋅К)

Эффективный коэффициент теплоотдачи к поверхности деталей:

л

α

2,1

=

∑

(4)

где

л

α

- коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/ (м

2

⋅К).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией в высокотемпературных печах

для цементации и нитроцементации (температура 850-950 °С) с мощными

вентиляторами может быть принят равным 15-20 % от теплоотдачи изучени-

ем.

Эффективный коэффициент теплоотдачи излучением:

mтр

л

ТТ

q

−

=

α

(5)

где

л

q

- теплонапряжение (тепловой поток) поверхности радиационных труб

и кладки, Вт/м

2

;

тр

Т

-температура радиационных труб, К;

m

Т

-средняя температура деталей (принимается равной 2/3 температуры

деталей в конце операции), К.

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

44

100100

ТmТтр

Cq

прл

(6)

где

пр

C

- приведенный коэффициент излучения, Вт/(м

2

⋅К

4

).

38

11

1

77,5

2

21

1

12

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

=

ε

ϕ

ε

ϕ

общобщ

общ

Спр

(7)

где 5,77 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м

2

⋅К

4

);

общ

12

ϕ

общ

21

ϕ

- соответственно угловые коэффициенты с радиационной

трубы на металл и с металла на трубу с учетом отраженного излучения клад-

ки;

1

ε

2

ε

- соответственно степень черноты поверхности радиационных

труб (

1

ε

=0,48) и нагреваемого металла (

2

ε

=0,45)

Угловые коэффициенты определяются в зависимости от относительно-

го шага труб (S

т

/D) по графику рис. 6. Радиационные трубы располагается

горизонтально снизу и у свода печи. Трубы U - образной формы с диаметром

D=108/100 мм и расстоянием между осями 250мм. Расстояние между труба-

ми смежных ветвей принимаем равным 350 мм.

Тогда средний шаг

ммS

T

300

2

250350

=

+

=

Эффективная теплопроводность стопки деталей на поддоне

[

]

))((

)(

m

эф

ε−λ

′

−ε−

λ

′

−

ε

−

λ

=λ

111

11

, (8)

а для отдельно уложенных деталей на поддоне

))((

)(

mэф

ε−λ

′

−ε−

λ

′

−ε−

λ=λ

111

11

2

, (9)

где т

λ

- средний коэффициент теплопроводностии металла, Вт/(м⋅К), (таб-

лица );

λ

′

- относительный коэффициент теплопроводности газовой прослойки (в

данном расчете принимать

λ

′

=0,166), Вт/(м⋅К);

ε

- объемная доля пустот в загрузке (

ε

=0,5 - для стопки деталей и

ε

=0,1

- для отдельно уложенных деталей).

Коэффициент эффективной температуропроводности загрузки деталей:

)(с

эф

ε−ρ⋅

λ

=α

1

, (10)

где С - средняя теплоемкость материала деталей, (Дж/кг⋅К) (табл. 5,6) ;

ρ

- плотность металла деталей, кг/м

3

(табл. 5,6).

Относительная температура в конце нагрева:

39

мнтр

мктр

tt

−

=

θ

, (11)

где

θ

- температурный критерий;

тр

t

- температура поверхности труб и кладки печи, ° С;

мн

t

- температура металла начальная, принимается равной 20 °С;

мк

t

- температура металла конечная, °С (принимается равной нижнему

пределу температуры цементации).

Используя графики

),( FoBif

ц

=

θ

рис. 7-9, для середины стопки на-

греваемых деталей (пластины) или цилиндра, находится эффективный крите-

рий Фурье и затем рассчитывается время нагрева деталей.

Рис.6 - Графики для определения угловых коэффициентов: а – расположение радиаци-

онных труб: 1 – радиационная труба; 2 – поверхность садки; 3 – поверхность кладки фу-

теровки печи; б – зависимости между угловыми коэффициентами и относительным ша-

гом труб

40

Рис. 7 - График функции переноса тепла для полуограниченного тела (критерий Тихоно-

ва)

Рис. 8 - Относительна температура

θ

середины пластины при значениях Фурье

от 0 до 30

Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.