451 градус по Фаренгейту* – верхний температурный предел при закалке зубчатых колес ?

 

451 градус по Фаренгейту» (англ. Fahrenheit 451) — научно-фантастический роман-антиутопия Рэя Брэдбери, изданный в 1953 году.  В эпиграфе романа говорится, что температура воспламенения бумаги — 451 °F (233 °C). В романе описывается общество, которое опирается на массовую культуру и потребительское мышление, в котором все книги, заставляющие задумываться о жизни, подлежат сожжению; хранение книг является преступлением; а люди, способные критически мыслить, оказываются вне закона.

Даниэл Дж. Вильямс, Эллен Ф. Коминарс

 

Итак, Вы получили задание купить индукционное оборудование для термообработки. Это задание сложное, но выполнимое. С помощью информации из этой статьи Вы будете в состоянии найти общий язык с Вашим поставщиком и сможете легко подобрать необходимое оборудование для Вашего производства.

Начните вашу беседу с большого количества вопросов. Производители индукционного оборудования обладают богатым опытом и информацией, которыми они с удовольствием с Вами поделятся.

 

Что такое индукционный нагрев?

 

Индукционный нагрев – это бесконтактный электромагнитный процесс, когда металлическая деталь, которую необходимо нагреть, помещается в магнитное поле, которое создается медной катушкой – индуктором. Через катушку пропускается ток определенной частоты и величины, для того чтобы осуществить нагрев. Нагрев в значительной степени осуществляется за счет тока, наведенного в детали. Часть нагрева осуществляется за счет перемагничивания. Метод индукционного нагрева не требует предварительной подготовки, является быстрым, обеспечивает хорошую повторяемость технологических параметров, не вызывает загрязнения и, также как резистивный нагрев, легко встраивается в технологическую линию, исключает необходимость межоперационного накопления деталей. Индукционный нагрев является бесконтактным процессом и может быть реализован в газовой среде или  вакууме для устранения или уменьшения взаимовлияния с окружающей атмосферой.

 

В каком случае производитель зубчатых колес должен заинтересоваться индукционным нагревом?

 

Большинство зубчатых колес должно пройти термообработку для достижения максимальной прочности и минимизации износа. Недорогие стали со средним содержанием углерода легче всего обрабатываются и подвергаются термообработке и закаливанию методом индукционного нагрева.

Предупреждение: все операции по нарезанию, формообразованию и штамповке должны быть выполнены до индукционной закалки. Всюду, где это возможно, термообработка должна быть последней технологической операцией.

Используются два метода термообработки зубчатых колес: нагрев в печи или индукционный нагрев. Выбор индукционного нагрева обусловлен большим количеством причин.

1. Из-за своих размеров и необходимости подвода тепловой энергии, нагревательные печи часто располагаются на специальных участках в производственных помещениях, удаленных от технологической линии. Индукционный способ позволяет осуществлять нагрев деталей без нарушения  темпа при их перемещении по технологической линии. Индуктор может быть расположен в различных точках производственной линии, таким образом, что не осуществляется разрыв технологического потока.

2. При индукционном нагреве уменьшается количество операций в технологическом процессе. Операции меднения и покраски полностью исключаются, поскольку возможна селективная закалка.

3. В то время как закалка в печи производится только партиями деталей, при индукционном возможна штучная закалка. При индукционном нагреве возможна индивидуальная отбраковка деталей.

4. Индукционное оборудование не производит вредных выбросов.

5. Индукционное оборудование более эффективно, чем печи, так как нагревается только та часть детали, которую необходимо обработать (при печной закалке – нагрев сквозной). Окружающий воздух не нагревается. Так как индукционная установка работает без загрузки деталями около 75% времени, потребляется гораздо меньше энергии.

6. Газовые печи нуждаются в разогреве; индукционное оборудование – нет.

7. Индукционный нагрев вызывает минимальные искажения формы и размеров зубчатых колес.

 

Что должны знать Ваши поставщики индукционного оборудования?

 

Ваши потребности в применении индукционного нагрева в настоящее время, а также в недалеком будущем и долгосрочной перспективе. Сообщите это Вашим поставщикам, даже если они об этом не спрашивают. Индукционное оборудование может обеспечивать термообработку различных типов зубчатых колес (с учетом переоборудования), однако поставщик должен знать Ваши потребности заранее.

Измерения зубчатых колес перед термообработкой. Чертежи и технологическая документация очень полезны. Ваши поставщики индукционного оборудования будут изучать оттиск на краску профиля зубчатого колеса и его спецификацию для определения параметров процесса нагрева.

Объемы производства. Определите необходимый объем производства деталей (в день, неделю или месяц). Определите число заводских смен в день. Исходя из этих данных, Ваш поставщик индукционного оборудования может определить количество деталей, которые необходимо обрабатывать за цикл обработки и рассчитает источник питания, необходимый для обеспечения такой производительности. Наиболее полезной информацией, которую хотел бы иметь Ваш поставщик является оценка производительности в час, которую планируется получить с помощью приобретаемого оборудования.

Материал деталей. Содержание углерода, легирующие элементы и исходная микроструктура будет определять мощность и время, требуемые для термообработки зубчатых колес. Зубчатые колеса с малым содержанием углерода (меньше 0,2%) могут подвергаться цементации перед индукционным нагревом для ускорения нагрева в процессах термообработки, включающих закалку.

На рисунке 1 показано приблизительное время нагрева для различных типов металлов. Конечно, реальное время будет отличаться от приведенного, в зависимости от диаметра, толщины и площади нагреваемых деталей.

Рисунок 1 – Номинальное время нагрева в зависимости от содержания углерода при номинальной плотности мощности 10 кВт/дюйм2

 

 Глубина нагрева. Выбор частоты очень важен для получения требуемых результатов. Заниженная частота приводит к недогреву головок зубьев. С другой стороны,  завышенная  частота  не обеспечивает нагрев основания зуба, но приводит к перегреву головки. Существует прямая зависимость диаметральным шагом зубчатого колеса и частотой.

 Определение частоты начинается с тщательной оценки требуемого или заданного образца. Для уточнения деталей применяются специальные шаблоны: требуется ли сплошная прокалка головки зуба или прокалка по определенному заданному профилю контура зубчатого колеса? Требуется ли закалка основания зуба? Если да, то на какую глубину?

Твердость, которую требуется получить после термообработки. Твердость зависит от материала и, в основном, определяется заказчиком. Содержание углерода, легирующие элементы и исходная микроструктура – факторы, определяющие твердость.

Особенности процесса термообработки. Индукционный нагрев может удовлетворить различным требованиям к термообработке. Поставщик оборудования должен знать особенности требуемого процесса. Среди них могут быть:

- Поверхностная закалка. Нагрев поверхности образца выше температуры преобразования структуры металла с последующим быстрым охлаждением, что приводит к образованию закаленного слоя на поверхности.

- Сквозная закалка. Сквозной нагрев заготовки выше температуры преобразования структуры металла с последующим быстрым охлаждением для прокалки детали от поверхности до сердцевины.

- Отпуск или снятие напряжений. Нагрев до низкой температуры (120-600грС) и распространение области нагрева внутрь заготовки для снятия остаточных напряжений и уменьшения поверхностной твердости для предотвращения растрескиваний.

- Нормализация. Нагрев заготовки выше температуры преобразования структуры металла с последующим естественным охлаждением на воздухе.

- Отжиг. Нагрев заготовки выше температуры преобразования структуры металла с последующей управляемой скоростью охлаждения.

 

Что определяет поставщик индукционного оборудования?

 

Обычно комплекс для индукционной термообработка определяется следующими параметрами: время нагрева, мощность, рабочая частота, позиционирование или относительное вращение детали и спреера, расход охлаждающей жидкости. Поставщику оборудования необходим следующий набор описаний технологических циклов.

 

1.Временной цикл. Процесс индукционного нагрева определяется следующими временными параметрами:

- загрузка/выгрузка в установку    6-10 сек.

- загрузка/выгрузка в индуктор    2-4 сек.

- нагрев (в зависимости от материала)   1-10 сек.

- выдержка после нагрева перед охлаждением  0-2 сек.

- охлаждение       2-10 сек. *

* Если необходим отпуск, добавить от 6 до 10 секунд.

 

Фактическое время будет определяться производительностью, материалом нагреваемых деталей, источником питания и т.д. (см. рисунок 2).

Сталь 1050. Номинальная глубина закаленного слоя определяется как функция от частоты. Глубина закаленного слоя будет в 1,0 – 1,5 раза больше чем глубина проникновения соответственно для каждой частоты. Номинальная поверхностная плотность мощности – 10 кВт/дюйм2 (0,015 кВт/мм2).

Рисунок 2 – При выборе частоты необходимо получить одинаковый нагрев по поверхности зуба. При выборе заниженной частоты будет достигнут только нагрев основания зуба из-за того, что поле не концентрируется в головке зуба. Завышение частоты приведет к перегреву головок зубьев при недостаточном нагреве их оснований.

 

2.Мощность. Мощность является функцией закаливаемой поверхности:

Поверхность = πdh*2 (для зубчатых колёс)

Например, если диаметр зубчатого колеса - 4 дюйма, высота - 1/2 дюйма,тогда

Мощность=3.14*4*1/2*10=12.5”*10=125 кВт.

(Примечание переводчика. Очевидно, здесь 10 – мощность/площадь в кВт/дюйм2).

(Точная формула для определения поверхности зубчатого колеса является гораздо более сложной, но уровень рассмотрения в данной статье позволяет использовать упрощенный вариант).

В некоторых случаях  удельная теплоёмкость материала, вес детали и требуемая температура нагрева определяют мощность источника питания. (см. рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Влияние исходной микроструктуры на глубину закаленного слоя

 

3.Рабочая частота. Требуемая твердость закаленной поверхности вычисляется, основываясь на глубине закаленного слоя. Рабочая частота является функцией глубины закаленного слоя. Чем выше частота, тем меньше глубина закаленного слоя. Если частота занижена, получить нагрев с требуемыми свойствами не удаётся (рисунок 2).

 

4.Позиционирование/вращение детали. Основываясь на требуемой программе производства, с учётом финансовых ограничений, сформированного на предприятии  технического уровня и вспомогательной информации поставщик   оборудования предложит наилучший вариант комплектации с ручной или автоматической загрузкой. Ручная загрузка дешевле, а автоматическая надежнее.

 

5.Поток охлаждающей жидкости. Критичен только к параметрам закалки. Тепло должно отводиться от стали со строго  требуемой скоростью. Интенсивность теплоотвода в основном определяется расходом охлаждающей жидкости и способом её протока.

 

6.Охлаждающая жидкость и способ фильтрации. Выбор охлаждающей жидкости имеет свои особенности. Вода, водный раствор полимеров, масляная эмульсия, эмульсия нефти в соленой воде и даже свинец могут использоваться в качестве охлаждающей жидкости. В ряде случаев, таких как применение трудно закаливаемых материалов, лучше всего использовать закалку водой. Использование полимерных закалочных жидкостей для каждого случая требует согласования для определения совместимости с другими добавками, которые могут вводиться в охлаждающую жидкость.

Фильтрация охлаждающей жидкости необходима для контроля ее консистенции и продления срока эксплуатации. Частицы примесей в рабочей жидкости могут забивать малые отверстия в системе ее хранения и подачи. Размер отверстия для охлаждающей жидкости должен соответствовать определенному типу фильтра водяной системы охлаждения. Размер ячейки фильтра должен быть меньше чем отверстие в спреере для предотвращения его засорения.

К другим, менее критичным параметрам охлаждения при закалке относятся температура и время.

 

Дополнительная информация

 

Стоимость индукционного оборудования может колебаться в пределах от 100 тысяч до 500 тысяч долларов в зависимости от производительности. Средняя стоимость составляет приблизительно 250 тысяч долларов. Если некий производитель зубчатых колес производит 200 тысяч изделий в год в течение пяти лет, то есть 1 миллион зубчатых колес, то стоимость закалки одного колеса составляет 25 центов.

При покупке индукционного оборудования полезно принимать во внимание дополнительное расходование средств: электроэнергия, градирня или холодильник, охлаждающая жидкость, размещение резервуаров с охлаждающей жидкостью, индукторы, системы подачи деталей, производственные площади, профилактические работы, оплата операторов и дежурного персонала, ежедневная оценка износа оборудования.

 

Пример

 

Некий производитель зубчатых колес нуждается в индукционной термообработке колеса №945 (код производителя), которое имеет диаметр 4 дюйма и высоту 1/2 дюйма (см. таблицу 1).

 

 

 

 

 

 

Поставщик определяет необходимость комплектации оборудованием для индукционного нагрева в соответствии со следующими вычислениями:

1) Источник питания. Мощность определяется исходя из нормы 10 – 15 кВт/дюйм2 (метрические размеры необходимо перевести в британскую систему).

4*1,2*3,14*2=12,56 дюймов2*10=125,60 кВт.

Основываясь на стандартном ряде выпускаемой продукции, выбирается источник питания 150 кВт, 30 кГц.

2) Производительность. Шестеренки производятся в две смены, продолжительностью 6,5 часов, 5 дней в неделю, 4,3 недели в месяц.

 45000 заготовок в месяц = 162 заготовки в час при рабочем времени 279 часов в месяц.

Заготовка должна изготавливаться за 22,2 секунды.

Заданная производительность, мощность источника питания и опыт компании – производителя оборудования позволяют произвести инженерные вычисления длительности технологического цикла как это показано в таблице 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Что Вы должны знать о коммерческой основе индукционного нагрева?

 

Возможно, Ваша продукция выпускается настолько маленькими партиями, что индукционное оборудование приобретать невыгодно. Термообработка коммерчески выгодна если нагрев одной шестерни стоит от 50 центов до 3 долларов. Компании могут работать экономически эффективно, базируясь на приближенной цене в 2,5 доллара за зубчатое колесо при капитальных вложениях в индукционное оборудование 250000 долларов (средняя цена за установку индукционного оборудования) плюс сопутствующие расходы.

Другие факторы также должны быть учтены перед пуском производства. Будете ли Вы управлять процессами индукционного нагрева? Обеспечит ли приобретаемое оборудование обработку зубчатых колес в соответствии со стандартами Вашего предприятия?

Неплохо начать со знакомства со справочником Gear Technology или Directory of Commercial Heat Treaters.

 

Как следует запомните эти рекомендации:

 

- Вы должны быть уверены, что Ваши возможные поставщики имеют необходимое оборудование и опыт.

- Вы должны быть уверены, что набор навыков и оборудование прошли экономическую апробацию. Не позволяйте никому экспериментировать с Вашим проектом или использовать его для приобретения опыта.

- Вы должны быть уверены в качестве оборудования.

Таблица 1 – Зубчатое колесо № 945

Переменные

Спецификации

Габариты детали

4 дюйма х ½ дюйма, начальный диаметр 6 дюймов

Производительность

45000 деталей в месяц

Материал детали

SAE-5135

Глубина закаленного слоя

0,15 0,3 мм под основанием зуба

Твердость после закалки

55 HRC на половине глубины закаленного слоя

Таблица 2 – Оценка длительности технологического цикла (в секундах) = 20,0

180 деталей в час

Загрузка/разгрузка оборудования

7,0

Начало цикла

1,0

Включение и выход на режим

2,0

Нагрев

3,0

Закалка

5,0

Выключение

2,0

Общее время цикла

20,0

Деталей в час

180,0

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели