انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی ،تجزیه و تحلیل دقیق باید انجام شود تا بهترین ترکیب فرکانس، توان و زمان برای بهینه سازی فرآیند سخت شدن القایی انتخاب شود.

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

شکل 1. توان در مقابل فرکانس برای منابع تغذیه حالت جامد تجاری.

انتخاب فرکانس موضوع بحث از آغاز عملیات حرارتی سطح القایی در سال 1935 بوده است. در آن زمان، انتخاب منابع قدرت به ژنراتورهای تخلیه قوس الکتریکی، موتور ژنراتورها و ژنراتورهای لوله محدود بود. ژنراتورهای قوس بازده بسیار پایینی داشتند و حتی در آن زمان به منابع منسوخ تبدیل شده بودند. موتور ژنراتورها دارای قدرت بالا (500 کیلووات و بیشتر) و راندمان خوب با فرکانس تا 10 کیلوهرتز (برخی فرکانس‌های 50 کیلوهرتز و بالاتر) بودند. اسیلاتورهای لوله ای تنها انتخاب برای فرکانس های بالای 50 کیلوهرتز بودند اما بازده پایینی داشتند و بزرگ بودند.

در طول سال ها، تغییرات چشمگیر بسیاری محیط صنعتی امروز را دگرگون کرده است. به عنوان مثال، تقریباً هر ترکیبی از توان (تا چندین مگاوات در واحد) و فرکانس (تا چندین مگاهرتز) به دلیل توسعه منابع تغذیه حالت جامد با راندمان بالا و ابعاد کوچک در دسترس است (شکل 1). منابع تغذیه حالت جامد کوچک دارای فرکانس تا 5 مگاهرتز و بالاتر هستند. برنامه های کامپیوتری در دسترس هستند که می توانند به طور دقیق فرآیند عملیات حرارتی القایی را شبیه سازی کنند. این پیشرفت‌ها به برآورده شدن نیازهای عملیات حرارتی با توجه به نرخ تولید و کیفیت قطعه (عمق سختی، الگو، اعوجاج و غیره) و همچنین نیازهای بسیاری از فناوری‌ها و برنامه‌های جدید که الزامات خاصی را برای انتخاب فرکانس تعیین می‌کنند، کمک می‌کند.

بازنگری توصیه های قدیمی برای انتخاب فرکانس و انجام اصلاحات و اضافات ضروری است. بدون محدودیت در سطح فرکانس و امکان تنظیم فرکانس منبع تغذیه حالت جامد معمولاً در محدوده 3:1، استفاده از فرکانس بهینه مورد نیاز آسان است.

معیارها و عوامل انتخاب فرکانس عبارتند از:

  • راندمان سلف و نصب به طور کلی
  • ضریب قدرت سلف؛ مشخص کردن توان راکتیو و بنابراین، ابعاد تطبیق ترانسفورماتور و باتری خازن
  • زمان گرمایش و نرخ تولید مربوطه
  • کنترل عمق سختی و الگوی گرما
  • نیروهای الکترودینامیکی که هم باعث ارتعاش اجزای سلف و دستگاه و هم نویز صوتی می شود
  • هزینه و اندازه تجهیزات

اهمیت هر عامل به کاربرد خاص بستگی دارد. فرکانس (F) باید در ترکیب با توان (P) و زمان گرمایش (T) انتخاب شود. مقادیر F، P و T فرآیند القایی را توصیف می کند. مطالعات تئوری و تجربی دقیق منجر به ایجاد توصیه‌هایی برای انتخاب فرکانس برای کاربردهای مختلف از جمله سخت‌سازی کانتور چرخ‌دنده‌ها و سایر بخش‌های هندسه پیچیده شده است [1].

شکل 2. وابستگی حداقل زمان گرمایش (بنفش)، توان سیم پیچ (آبی) و مصرف انرژی (سبز) با تغییرات فرکانس

سخت شدن سطحی

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

همه عوامل ذکر شده در بالا ممکن است بر انتخاب فرکانس برای سخت شدن سطح، مهم ترین و پیچیده ترین فرآیند گرمایش القایی تأثیر بگذارند. به دلیل تنوع زیاد هندسه قطعات و مشخصات عملیات حرارتی، ارائه توصیه های کلی برای انتخاب فرکانس دشوار است و بنابراین، گروه های مختلف قطعات باید به طور جداگانه در نظر گرفته شوند.

به عنوان مثال، سه گزینه ممکن در مورد سخت شدن کانتور همزمان چرخ دنده ها عبارتند از:

  • سخت شدن در یک ترکیب کاملاً مشخص از فرکانس، توان و زمان؛ فرکانس باید در یک محدوده باریک باشد، که برای گام دندان های مختلف متفاوت است، و قدرت باید زیاد و زمان گرمایش کوتاه باشد، به خصوص برای گام دنده کوچک.

  • سخت شدن با استفاده متوالی از توان فرکانس پایین

    و بالا. این فناوری برای دنده های مختلف انعطاف پذیرتر است

  • سخت شدن با استفاده از دو فرکانس به طور همزمان. امکان توزیع مجدد توان بین فرکانس بالا و پایین این فناوری را به انعطاف پذیرترین فناوری تبدیل می کند، اما به تجهیزات ویژه ای نیاز دارد [2]

بهترین انتخاب تکنولوژی برای هر مورد خاص باید بر اساس تجزیه و تحلیل دقیق فنی و اقتصادی باشد.

سخت شدن قطعات استوانه ای و ضخیم و صاف

برای رایج ترین موارد سخت شدن قطعات استوانه ای (شفت، پین و غیره) یا قطعات ضخیم و مسطح، توصیه می شود فرکانس را با توجه به نسبت عمق سختی (d) به عمق نفوذ (مرجع) (p) گرداب انتخاب کنید. جریان در فولاد داغ [1] در محدوده 0.33 سؤالاتی که مطرح می شوند عبارتند از: چرا این فرکانس بهینه است، وقتی به دو انتهای محدوده حرکت می کنیم چه اتفاقی می افتد و اگر فرکانس خارج از محدوده توصیه شده استفاده شود چه اتفاقی می افتد؟ شبیه سازی کامپیوتری می تواند به این سوالات پاسخ دهد.

برنامه شبیه سازی کامپیوتری Elta [3] برای مطالعه سخت شدن القایی عمیق (5 میلی متر یا 0.2 اینچ) شفت با قطر 40 میلی متر (~ 1.5 اینچ) استفاده شد. محدوده فرکانس پیشنهادی 1.2 تا 10 کیلوهرتز با فرکانس بهینه حدود 2.5 کیلوهرتز است. فرض بر این بود که حداقل دما برای آستنیته شدن فولاد 800 درجه سانتیگراد (1470 درجه فارنهایت) و حداکثر دمای مجاز کوتاه مدت 1000 درجه سانتیگراد (1830 درجه فارنهایت) است که تقریباً با فولاد کربنی AISI 1045 مطابقت دارد. محاسبات نشان می دهد که سریعترین گرمایش و حداقل انرژی مورد نیاز با حداکثر دمای سطح قابل قبول 1000 درجه سانتیگراد مطابقت دارد. در شبیه سازی از حالت توان سلف ثابت استفاده شده است.

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

نتایج شبیه‌سازی در جدول 1 و شکل 2 تأیید می‌کنند که فرکانس مربوط به نسبت d/p = 0.5، سریع‌ترین و کارآمدترین گرمایش را فراهم می‌کند (F = 2.5-3.0 کیلوهرتز). همچنین ضریب توان سیم پیچ در این فرکانس حداکثر است که به معنای باتری خازن کوچکتر و ترانسفورماتور کارآمدتر است. استفاده از فرکانس بالاتر از بهینه بازده الکتریکی بالاتری را به همراه دارد، اما حداقل زمان گرمایش به طور قابل توجهی افزایش می یابد (تا 4 برابر بیشتر در 30 کیلوهرتز). مصرف کل انرژی نیز افزایش می یابد، اما کمتر از 10٪. در فرکانس بالا، بهتر است سطح را تا حداکثر دمای قابل قبول گرم کنید تا زمان گرمایش و مصرف انرژی کاهش یابد. این محاسبات انتقال حرارت در امتداد محور قطعه را در نظر نمی گیرند. این فرض برای فرآیند اسکن یا گرمایش همزمان کل طول قطعه دقیق است. برای گرمایش استاتیک موضعی، تلفات حرارتی محوری اضافی می‌تواند تقاضای انرژی را برای یک فرآیند طولانی‌تر فرکانس بالا به طور قابل توجهی افزایش دهد.

استفاده از فرکانس کمتر از حد بهینه می تواند گرمایش سریع تری ایجاد کند، اما راندمان الکتریکی و ضریب توان کاهش می یابد. قدرت سیم پیچ مورد نیاز به طور چشمگیری افزایش می یابد و تلفات سیم پیچ می تواند به مقدار غیر قابل قبولی برسد. به همین دلیل توصیه می شود با افزایش مناسب زمان گرمایش، توان را کاهش دهید. دمای سطح قطعه کمتر از حداکثر قابل قبول خواهد بود. در فرکانس بسیار کمتر از حد مطلوب (در این مورد 1000 هرتز)، فرآیند گرمایش بسیار کمتر موثر می شود و نسبت به تغییرات در شرایط عملیاتی حساس تر می شود.

ولتاژ سر سیم پیچ در محدوده وسیعی از تغییرات فرکانس حول مقدار بهینه تقریباً یکسان است. این بدان معنی است که در صورت تغییر فرکانس، نسبت ترانسفورماتور می تواند یکسان باشد.

تأثیر فرکانس بر پارامترهای فرآیند ممکن است با در نظر گرفتن توزیع منابع گرما و دما در داخل قطعه توضیح داده شود (شکل 3). در فرکانس بهینه، حداکثر چگالی توان در مواد مغناطیسی زیر لایه ای که قرار است سخت شوند، رخ می دهد. در مقایسه، در یک فرکانس بالاتر، چگالی توان در عمق تقریباً به صورت تصاعدی کاهش می‌یابد، بنابراین به زمان بیشتری برای رسیدن به نفوذ گرما به عمق مورد نیاز نیاز دارد.

انتخاب بهترین فرکانس برای عملیات حرارتی القایی

شکل 3. توزیع منبع حرارت (سمت چپ) و دما (راست) در شعاع بخشی در انتهای گرمایش با استفاده از فرکانس 2500 هرتز (سبز) و 15000 هرتز (قرمز)

سایر عوامل موثر در انتخاب فرکانس

کنترل الگوی حرارت معمولاً در فرکانس بالاتر به دلیل تمرکز توان بهتر دقیق تر است، اگرچه ممکن است فرکانس کمتری در برخی موارد مورد نیاز باشد، مانند دستیابی به یک الگوی پیوسته در شفتی که چندین ناحیه انتقال بین قطرهای مختلف شفت دارد.

نیروهای الکترودینامیکی توسط اثر مکانیکی یک میدان مغناطیسی بر اجسام رسانای مغناطیسی و غیر مغناطیسی (به عنوان مثال، قطعه کار، لوله سیم پیچ و متمرکز کننده های مغناطیسی) ایجاد می شوند. این نیروها باعث ارتعاش تمام اجزای آسیب دیده با فرکانس دو برابر فرکانس الکتریکی می شوند. لرزش می تواند منجر به کاهش عمر سیم پیچ و گاهی اوقات به تغییر هندسه سیم پیچ (تغییر شکل) شود. علاوه بر آسیب مکانیکی، ارتعاش باعث ایجاد نویز صوتی نیز می شود که بر شرایط کاری اپراتور تأثیر می گذارد. از نظر فیزیولوژیکی آزاردهنده ترین نویز با فرکانس 2 تا 4 کیلوهرتز است. در موردی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، انتخاب فرکانس زیر بهینه (1 تا 2 کیلوهرتز) منجر به نویز با فرکانس 2 تا 4 کیلوهرتز می شود که نامطلوب ترین محدوده است. با افزایش فرکانس، سطح ارتعاش و نویز به دلیل تقاضای کمتر انرژی بسیار سریع کاهش می یابد. حتی برای همان توان، نیروهای الکترودینامیکی و نویز در فرکانس بالاتر کوچکتر هستند. فرکانس الکتریکی بالای 5 کیلوهرتز باعث ایجاد نویز با قابلیت شنیدن کم می شود.

اندازه تجهیزات برای فرکانس بالاتر کوچکتر است، به خصوص اندازه باتری خازن و ترانسفورماتور منطبق.

هزینه تجهیزات به ازای هر کیلووات تقریباً در محدوده فرکانس 1 تا 30 کیلوهرتز یکسان است. منابع تغذیه بیشتری در محدوده 10 تا 30 کیلوهرتز نسبت به زیر 10 کیلوهرتز موجود است.

نتیجه گیری

منابع تغذیه جدید انتخاب دقیق تر فرکانس بهینه برای برنامه را ممکن و سودمند می سازد. محدوده فرکانس بهینه باریک مربوط به عمق سختی (d) برابر با بین 0.45 و 0.6 عمق مرجع در فولاد داغ است. محدوده فرکانس آن 40/d2 است

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

    EnglishIran
    سوالی دارید؟ میتونیم کمکتون کنیم!
    مکالمه را شروع کنید
    سلام! برای چت در WhatsApp پرسنل پشتیبانی که میخواهید با او صحبت کنید را انتخاب کنید