Корректировка прочностных характеристик втулок из порошковых малолегированных железоуглеродистых материалов с использованием индукционного нагрева

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Оренбургский государственный университет

Корректировка прочностных характеристик втулок из порошковых малолегированных железоуглеродистых материалов с использованием индукционного нагрева

Approach is considered to shaping mathematical models induction heating of products from powdered slight enrich ferrous carbon materials in publication

Горельская Ю.В.

Павлов С.И.

Оренбург, РФ

Возникновение большого числа предприятий (в том числе и металлообрабатывающих) с небольшим объемом производства, позволяющих гибко менять технологию и номенклатуру выпускаемой продукции приводит к конфликту между традиционными технологиями и реальностью. Для специалистов очевидно, что эффективность металлургических предприятий возможна только при ограниченной стабильной номенклатуре и больших объемах производства. В этой ситуации согласовать требования рынка и массового производства возможно с использованием технологий, позволяющих доводить массовую продукцию, до требований предприятий «потребителей». Наиболее эффективно это реализуется на базе автоматизации существующих и разработки новых прогрессивных технологий. К таким технологиям относится термическая обработка деталей из спеченных материалов с использованием индукционного нагрева.

Технико-экономическое сравнение эффективности индукционного нагрева с нагревом в печах сопротивления показывает, что начиная с температур выше 300^оС, индукционный нагрев становится значительно эффективней косвенного. Среди всей широкой номенклатуры изделий конструкционного назначения из порошковых материалов наиболее часто встречаются различного рода втулки с толщиной стенки не более 10 мм. Именно они и были выбраны в качестве объекта исследования. Автоматизировать процесс технологической подготовки производства термической обработки немыслимо без работоспособной математической модели, позволяющей связать температуру нагрева изделия и технические параметры установки индукционного нагрева.

Традиционно в основу построения таких моделей кладется система уравнений электродинамики (Максвелла), представляющая собой закон полного тока и закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме, выражающая тот факт, что переменные электрического и магнитного поля существуют совместно и являются сторонами единого электромагнитного процесса.

Не нарушая сложившихся традиций, авторы в качестве исходной (базовой) математической модели, связывающей тепловые и электромагнитные характеристики, выбрали система дифференциальных уравнений Максвелла-Фурье:

,

,

индукционный нагрев механический обработка металл

где - векторы напряжен. магнитного, электрического полей и магнитной индукции; , с, - удельные значения электропроводности, теплоемкости и плотности нагреваемого материала; - коэффициент теплопроводности; - вектор скорости перемещения нагреваемого тела; t - температурное поле; - время.

В литературе приводится достаточно большое количество приближенных (в том числе и численных) решений этой системы, которые базируются на постулате постоянства (неизменности) значений магнитной проницаемости, теплоемкости, теплопроводности и электропроводности нагреваемых материалов. Если для компактных сталей такое допущение до некоторой степени оправдано (это упрощает процесс получения решения), то для порошковых сталей это совершенно неприемлемо.

Экспериментально было установлено, что для изделий из наиболее распространенных железоуглеродистых конструкционных материалов второй группы (с плотностью 6.7,…,7.1 г/см³) величину теплопроводности в зависимости от температуры нагрева можно определить по соотношению

(Т) = 9.1837*e^-245.3552/T,

а удельную теплоемкость по

С_уд(Т) = 97.232338*(6.0946107-e^{-0.0043747803*T}),

где Т - температура в С.

Глубина проникновения тока в металл h(,T), с учетом удельного сопротивления (Т) для материалов этой группы, может быть определена по соотношению

,

где (Т) = 111.6785-110.7229*е^sn,

(sn = -151.3911*t^-1.4606), = 4**10^-7 -- абсолютная магнитная проницаемость, а -- частота питающего тока. Расчет и проведенный эксперимент показали, что для частот 500050000 Гц происходит сквозной прогрев стенки изделия.

Установленный факт сквозного прогрева изделия дал возможность понизить размерность решаемой задачи, что в свою очередь упростило решение исходной системы. Предложенный, авторами, ”инженерный способ” решения системы Максвелла-Фурье, с учетом реальных значений входящих в нее переменных позволил получить следующую математическую модель для нагрева деталей типа ”втулка”

T(P,) = a + bln(P) + (D+e) + kd² + n³,

где Р - мощность установки ТВЧ, D и d наружный и внутренний диаметры втулки (соответственно), a, b, e ,k и n экспериментально определяемые коэффициенты характеризующие геометрию индуктора. Проведенные эксперименты на втулках с D = 21, d = 10 и h=18 мм показал хорошую сходимость предсказанных и рассчитанных по предлагаемой модели результатов (расхождение менее 10%).

Построенная модель зависимости температуры от мощности установки и времени нагрева позволила провести оптимизацию процесса нагрева. Целью оптимизации является снижение расхода электроэнергии, затрачиваемой на нагрев изделия под закалку. Анализ экспериментальных и теоретических зависимостей показал, что наиболее эффективным является двухступенчатый нагрев. Максимально короткий нагрев до температуры выше фазовых превращений (первая ступень) и выдержка в течение некоторого времени при этой температуре (вторая ступень).

С учетом инерционности процесса индукционного нагрева было установлено, что наиболее эффективным является нагрев, на первом этапе, с постоянной мощностью 0.8P_MAX. Второй этап должен обеспечивать тепловые потери, значение величины мощности определяется из вышеприведенного уравнения (модели нагрева).

Проведенные по модели расчеты и проведенный эксперимент показывают, что экономия электроэнергии при ступенчатом нагреве, по сравнению с нагревом при постоянной мощности, достигает 40%. При линейной аппроксимация расчетного режима экономия электроэнергии лежит в пределах 3035%.

Термическая обработка (при охлаждении в масло) по рассчитанной по модели ступенчатой схеме нагрева втулок из материала ЖГр1, 5Д2,5 (пористость около 15%) позволила получить стабильные значения _в около 450 МПа и твердость около 280 HB, что приблизительно в 2 и 2.3 раза выше исходных значений. При этом нужно отметить, что в серии втулок из 100 штук полностью отсутствует брак, вызванный нагревом (прижоги, пятнистость и др.).

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что разработанная авторами модель индукционного нагрева может быть использована для разработки технологических процессов ТО, как традиционными методами, так и (в АСТПП) с использованием средств вычислительной техники.

Размещено на allbest.ru