НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Согласно принятой классификации можно выделить нагревательные уста­ новки с внутренним (непосредственный электронагрев, контактный, индукцион­ ный, в электролитах) и внешним (газо­ кислородное пламя, низкотемператур­ ная плазма) источниками тепла. В по­ следнее время при термообработке начинают использовать электронно-лу­ чевой нагрев и нагрев лучом лазера.

При нагреве внутренним источни­ ком тепло генерируется в самом метал­ ле в результате воздействия электриче­ ского тока или быстроменяющегося электромагнитного поля. Скорость на­ грева в этом случае определяется мощ­ ностью установки. Увеличивая послед­ нюю, можно достичь весьма высоких скоростей нагрева. Например, при не­ посредственном пропускании электри­ ческого тока через проводник скорость нагрева образцов диаметром 10— 20 мм достигает 1000 °С в секунду. Время нагрева т. в. ч. и в электроли­ тах составляет 3—8 с. Высокая ско­ рость образования аустенита при этих способах нагрева объясняется большим количеством энергии, генерируемой внутри самой нагреваемой детали, что создает благоприятные условия для процессов фазовых превращений, со­ провождающихся поглощением тепла.

При электронагреве в отличие от обычных способов сохраняется мелкое зерно аустенита, что дает возможность получать более высокие прочностные

свойства; в случае заданного уровня характеристик прочности значительно возрастает ударная вязкость (напри­ мер, в хромоникелемолибденовых ста­ лях она повышается в 1,5—2 раза); окисленный и обезуглероженный слои нагреваемого металла незначительны; сложнолегированные стали могут быть заменены более простыми или углеро­ дистыми.

Положение критических точек, соот­ ветствующих быстрому электронагре­ ву, зависит от исходной структуры ме­ талла. В случае высокодисперсной ис­ ходной структуры (тростит, отпущен­ ный мартенсит) оно мало отличается от равновесного. Если же исходная структура грубая, образование аусте­ нита и переход избыточной фазы в ра­ створ начинаются значительно выше равновесных критических точек и про­ исходят в температурном интервале, который с увеличением скорости нагре­ ва смещается к более высоким темпе­ ратурам. Поэтому при выборе темпера­ туры нагрева надо учитывать исход­ ную структуру металла.

Конструкции применяемых аппара­ тов определяются выбранным видом нагрева (непосредственное пропуска­ ние тока, контактный нагрев, индукци­ онный нагрев и др.) и методом нагрена. Используют три метода:

1. Одновременного нагрева и ох­ лаждения всей поверхности детали. Метод отличается высокой производи­

в виде ролика, подводится переменный электрический ток промышленной ча­ стоты (50 Гц), низкого напряжения (2—4 В), но большой силы (несколько тысяч ампер). В местах соприкоснове­ ния электрода с поверхностью сталь­ ной детали создается высокая плот­ ность тока и выделяется количество тепла, пропорциональное квадрату си­ лы, тока / 2, контактному сопротивлению* Яконт и времени воздействия тока т. Плотность тока по мере удаления от поверхности детали будет уменьшать­ ся пропорционально квадрату расстоя­ ния. Таким образом, под электродом происходит разогрев детали выше кри­ тических точек, а при последующем охлаждении достигается поверхностная закалка на глубину 2—5 мм. Электрод обычно изготовляется из меди в виде ролика; по условиям прочности он не должен разогреваться выше 400— 450 °С. Поэтому ролик следует охлаж­ дать.

Для поверхностной закалки на глу­ бину 3—5 мм необходимо, чтобы плот­ ность тока под электродом составляла 500—700 А на 1 мм ширины ролика. Последняя берется равной 8—16 мм. Сила тока во вторичной цепи транс­ форматора (6000—14000 А) ограничи­ вается массивностью токоподводящей аппаратуры.

В качестве простейшей машины для поверхностной контактной электроза­ калки цилиндрических тел можно ис­ пользовать токарный станок, поместив деталь в центрах, а закаливающий ро­ лик с охлаждающим устройством на суппорте. Тогда, сообщив вращение де­ тали и поступательное движение ро­ лику вдоль ее оси, получим на поверх­ ности детали винтообразную полосу закаленного слоя (метод «ленточной» закалки). При движении ролика около ранее закаленного участка на поверх­ ности детали остаются отпущенные по­ лоски шириной 0,2—0,5 мм. Принци­ пиальная схема установки для контакт­ ной ленточной закалки приведена на рис. 5.4. Мощность тока, подводимого к поверхности детали, регулируется при помощи автотрансформатора 7,

Рис. 5.4. Принципиальная схема установки для контактной ленточной электрозакалки

включенного в цепь первичной обмот­ ки питающего трансформатора 2. Чаще для подвода тока используют два токоподводящих закаливающих ролика з^ Это позволяет сократить длительность цикла закалки вдвое.

Чтобы достичь хорошего контакта ролика с поверхностью обрабатывае­ мой детали, на каждый 1 мм ширины ролика сообщается давление 10—15 кг. Для улучшения контакта ролика с По­ верхностью детали и предотвращения искрения она должна быть обработана только резцом (знак V).

2—4 мм/с. Применение трансформато­ ров низкого напряжения мощностью д0 250 кВт и широких контактных роликов из сеток дает возможность осущест­ вить контактный электронагрев За один оборот и избежать ленточной За­ калки.

Контактный электронагрев может быть успешно применен для поверх_ ностной закалки деталей простой фор. мы (валов, пальцев, шпинделей, роли­ ков и т. п.). Необходимые приспособле­ ния, используемые при этом, несложна и стоимость обработки сравнительно

невелика. К недостаткам контактного нагрева относятся: низкая производи­ тельность установок, образование тон­ кого незакаленного поверхностного слоя, подлежащего снятию последую­ щим шлифованием, и наличие полосок отпущенных участков с пониженной твердостью.

5.3. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ

Индукционный нагрев совершается за счет теплового действия вихревых токов Фукко, возникающих при индук­ тировании в детали переменного маг­ нитного потока. Ферромагнитные ма­ териалы нагреваются также теплом, выделяющимся при перемагничивании. Деталь помещают в специальную ка­ тушку (индуктор), выполненную из медной трубки и охлаждаемую водой. Возникающие в детали индукционные токи оттесняются к ее поверхности. Это явление называется поверхност­ ным эффектом. Глубина проникнове­ ния магнитного потока в металл при­ ближенно определяется формулой Штейнметца:

где б — глубина проникновения маг­ нитного потока в изделие, см; р — элек­ трическое удельное сопротивление, Ом-см; [х — магнитная проницаемость металла, Гс/Э; / — частота тока, Гц. Значение б увеличивается с уменьше­ нием f и ц, повышением р и оно не за­ висит от размеров детали. При по­ верхностном нагреве применяют т. в.ч.

С повышением температуры .метал­ ла р возрастает, а ц уменьшается, по­ этому глубина проникновения тока в изделие увеличивается. Для стали р, резко уменьшается при нагреве выше точки магнитного превращения (Лг =

= 780 °С), когда \i = 1 Гс/Э, при тем­ пературе 20°С |х= 100—150 (табл. 5.1). Подставив в формулу (5.2) р = pf = = 10~4 Ом-см и |х = 1, для стали за­ пишем

8 ,« 50,3W J

Глубина проникновения тока при «го­ рячем режиме» может быть принята за глубину нагрева, так как в этом слое выделяется основная часть энергии (до 90%).

При индукционном нагреве т. в. ч. разность температур поверхностных нагретых слоев и внутренних холодных доходит до 900 °С и выше, однако тре­ щины в металле не образуются. Эпю­ ра напряжений в поверхностном слое при индукционном нагреве аналогична эпюре напряжений, получаемой в слу­ чае нагрева тел внешним источником тепла, но величина напряжений зна­ чительно ниже. Это объясняется тем, что при большом сечении ненагретых внутренних слоев усилия, приходящие­ ся на единицу сечения, невелики.

Если частоту тока уменьшить, глу­ бина проникновения, а следовательно, и глубина нагрева увеличатся. В этом случае могут образоваться трещины, вызванные внутренними напряжения­ ми, которые.появятся в результате раз­ ности температур по сёчению. При сквозном индукционном нагреве раз­ ница температур по сечению становит­ ся ничтожно малой и поэтому трещины не образуются.

Необходимую частоту тока в зави­ симости от формы изделия и толщины слоя можно определить по следующим формулам:

для деталей простой конфигурации;

хронных двигателей с частотой враще­ ния 50 с-"1 частота вырабатываемого генератором тока f = 50 Гц. По кон­ структивным соображениям оптималь­ ная частота рассматриваемых генера­ торов 500—8000 Гц.

Часто генератор и приводной мотор соединяются в одном корпусе в виде двухподшипниковой установки. Это да­ ет возможность упростить конструк­ цию и лучше использовать медь и же­ лезо, а при наличии водяной рубашки уменьшить шум от работы машины. На свободном конце вала генератора устанавливается возбудитель для пита­ ния обмотки возбуждения генератора. Машинные генераторы имеют мощ­ ность 55—1500 кВт.

У с т а н о в к а с т и р и с т о р н ы м п р е о б р а з о в а т е л е м (рис. 5.6) со­ стоит из таких основных частей: выпря­ мителя 7 на управляемых тиристорах;

торый преобразует постоянный ток в переменный заданной частоты (он собран на четырех управляемых тири­ сторах по схеме однофазного мостово­ го автономного инвертора, работающе­ го в режиме прерывистого* входного тока). Индуктор 5 подключается через трансформатор 4 в диагональ вентиль­ ного моста Т1-Т4 и ТЗ-Т2. Если откры­ ты вентили 77 и Г2, ток течет в на­ правлении 7, а при открытых вентилях ТЗ и Т4 — в обратном направлении. Коммутация вентилей осуществляется емкостью С„. Импульсы на тиристоры подаются попеременно со сдвигом на 180° по диагонали инвертора. Посколь­ ку емкость Ск включена параллельно первичной обмотке трансформатора 4, то на вторичной его обмотке возника­

ет переменное напряжение с частотой коммутации вентиля 500—2500 Гц. Конденсатор Ск также компенсирует реактивную мощность индуктора, по­ вышая коэффициент мощности coscp. Полупроводниковые тиристорные пре­ образователи частоты, по сравнению

смашинными, имеют более высокий

к.п. д. (на 10—15%.)» меньшие габа­ риты, с их помощью можно регулиро­ вать рабочую частоту, создавая опти­ мальные режимы нагрева. Тиристор­ ные преобразователи имеют мощность 160—3000 кВт и частоту 4000—1000 Гц. Планируется выпуск тиристорных пре­ образователей мощностью 1600, 2400 и 3200 кВт, частотой 1000 Гц, основан­ ных на параллельно включенных пре­ образователях ТПЧ-800-1,0.

Втабл. 5.2 приведены данные по машинным и тиристорным преобразо­ вателям.

состоит из повышающего трансформа­ тора 7, выпрямителя 2 с анодным трансформатором, генераторного бло­ ка 5, колебательного контура с ин­ дуктором 4 и системы управления. На­ пряжение питающей сети U\ = = 220/380 В с частотой 50 Гц повыша­ ется трехфазным трансформатором 7 до U2 = 8000—10000 В. Это напряже­ ние подается на газотронный выпрями­ тель 2, преобразующий переменный ток высокого напряжения в постоян­ ный напряжением £/3. При этом напря­ жение повышается еще в 1,35 раза. На схеме показаны шесть газотронов, соединенных по схеме Грэтца. Выпря­ мительное действие газотронов основа­ но на свойстве инертных газов, напол­ няющих газотрон, пропускать ток толь­ ко в одном направлении. Выпрямлен­ ный ток поступает в ламповый генера­ тор, работающий на самовозбуждении, с автотрансформаторной сетчатой связью, в котором постоянный ток вы­ сокого напряжения преобразуется в пе­ ременный т. в. ч. напряжением f/4. Вы­ сокочастотный трансформатор пони­ жает напряжение £/4 до U5. Последнее используется в индукторе для нагрева под закалку.

Основным элементом генератора яв­ ляется трехэлектродная электронная лампа, имеющая катод, анод и управ­ ляющую сетку. Электроны из нака­ ленной нити устремляются на анод под

ПВ-100-8000

ВГО-500—8000

ПВ-50—2500

ПВ-100—2500

ВГО-250—2500

ВГО-500—2500

ВГВФ-1500—2500

ВГО-500—1000

ВГО-1500—1000

ВГО-1500—500

ТПЧ-160— 4,0 ТПЧ-250—2,4 ТПЧ-500—2,4 ТПЧ-800— 1,0

1,53X1,12X1,06

5,34X1,75X1,19

1,20X1,00X0,80

1,42X0,83X0,83

4,00X1,50X1,00

5,42X1,50X1,20

7,69X2,25X1,48

4,77X1,70X1,10

7,52X2,25X1,50

7,28X2,00X1,66

4,0X 6,8X 2,2

влиянием задаваемого на него положи­ тельного потенциала. Наличие третье­ го электрода — сетки дает возможность управлять электронным потоком. При подаче на нее высокочастотных коле­ баний через лампу потечет пульсирую­ щий ток с частотой, равной частоте то­ ка на сетке. Если полученный пульси­ рующий ток направить в резонансный контур, настроенный на частоту пуль­ сации, в нем возникнут мощные высо­ кочастотные колебания. Аноды генера­ торных ламп нуждаются в постоянном охлаждении водой (расход воды около 0,4 л/мин на 1 кВт).

Частота f в ламповых генераторах определяется параметрами анодного •контура (индуктивностью L и ем­ костью С) и может быть вычислена по формуле

Основные характеристики ламповых генераторов, выпускаемых завода­ ми электротермического оборудования, даны в табл. 5.3.

По условиям техники безопасности напряжение на зажимах индуктора не должно превышать 30—80 В. Для по­ лучения такого напряжения в высоко­ частотных установках применяют по­ нижающие трансформаторы. В уста­ новках с ламповым генератором ис­ пользуют воздушные трансформаторы, которые одновременно являются ча­ стью колебательного контура. В уста­ новках с машинным генератором при­ меняют трансформаторы с железной магнитной цепью. Эти трансформаторы необходимо охлаждать. Расход воды на охлаждение составляет 0,005 NTi л/мин (Nr— мощность генератора, кВт).

Индукционные нагревательные установки вследствие рассеивания маг­ нитного Потока дают очень низкий ко­ эффициент мощности cos ф, особенно при высоких частотах. Для его повы­ шения реактивную составляющую тока компенсируют, включая в цепь кон­ денсаторные батареи. Коэффициент мощности при этом достигает значе­ ния, близкого к единице. Конденсато-

Расход

охлаждающей воды, л/мнн

25

40

60

Одновитковые

индукторы

центр 20 приводятся в движение в вер­ тикальном направлении через винто­ вую передачу от двигателя 19. Для по­ дачи масла в цилиндр 6 станок снаб­ жается шестеренным насосом 2, слив­ ным баком 1 и регулирующими клапа­ нами 4. Вода для охлаждения транс­ форматора и индуктора подается по трубопроводу 17, а сливается через телескопическую трубу 16. Закалочная жидкость (вода или эмульсия) посту­ пает по отдельному трубопроводу 18. Деталь нагревается во время движе­ ния индуктора вверх. В случае закал­ ки^вала диаметром 0,4 м, рабочей дли­ ной 2,0 м, массой 1,6 т на глубину 3—4 мм на установке мощностью 250 кВт при частоте 2500 Гц скорость движения индуктора равна 4 мм/с.

Аналогичный станок используется для непрерывно-последовательной по­ верхностной закалки валков холодной прокатки. Процесс закалки валка мас­ сой 2 т и диаметром бочки 500 мм на машинном генераторе мощностью 400 кВт при частоте 2500—500 Гц и скорости движения кольцевого индук­ тора 0,8 мм/с длится 20 мин.

Цилиндрические и конические ше­ стерни с модулем 6 мм и выше зака­ ливают последовательно «зуб за зу­ бом». На рис. 5.13, а приведена схема с т а н к а - а в т о м а т а д л я з а к а л к и ш е с т е р е н диаметром от 100 до 700 мм при их горизонтальном поло­ жении. Трансформатор 1 с индукторомспрейером 2 закрепляется неподвижно на станине станка. Закаливаемая шес­ терня 4 устанавливается на оправке верхнего суппорта 3, которому прида­ ется возвратно-поступательное движе­ ние от копировального механизма по­ средством пальца 5, находящегося в пазу барабана 7. При вращении по­ следнего сообразно форме паза осу­ ществляются такие операции: ввод зу­ ба шестерни в индуктор, выдержка и вывод из индуктора. При выводе шес­ терни из индуктора она автоматически поворачивается на зуб с помощью де­ лительной головки 5, в толкатель ко­ торой упирается шестерня при ходе назад. Барабан 7 приводится во ^вра­ щение от двигателя 10 через червяч­ ный редуктор 9 и пару сменных шесте­ рен 8. Использование генератора мощ­ ностью 50—60 кВт позволяет нагревать зуб за 4—5 с.

Желательно, чтобы в результате за­ калки шестерни по контуру зуба был

получен равномерный закаленный слой. Этого можно достичь, последова­ тельно закаливая зубья шестерни «по впадине», при помощи специального индуктора (рис. 5.13,6) с токопроводом 1 и железным магнитопроводом 2.

Выпускаются также станки, в ко­ торых шестерни располагаются верти­ кально.

Большой интерес представляет спо­ соб повышения коэффициента исполь­ зования высокочастотных генераторов, когда один генератор поочередно об­ служивает ряд закалочных станков: пока на одном станке идет нагрев де­ тали, на остальных производятся дру­ гие операции (охлаждение, подготовка детали и т. п.). По окончании опера­ ции нагрева на одном станке генера­ тор автоматически подает ток на вто­ рой станок, затем на третий и т. д.

Токи высокой частоты применяются

ленту целесообразно нагревать в попе­ речном магнитном поле. Это позволяет повысить к. п. д. установки и снизить необходимую мощность.

Установка конструкции Родигина для нагрева ленты из нержавеющей

верхней 4 и нижней 6, между которы­ ми протягивается нагреваемая лента. Для снижения магнитного рассеивания он снабжен массивным магнитопрово­ дом, собранным из листов трансфор­ маторной стали. Каждая ветвь магнитопровода имеет четыре полюса 2 и общее ярмо 3. На каждый полюс на­ вивается индукционная катушка 1, со­ стоящая из двух витков медной трубки диаметром 14 мм. Катушки соединены так, чтобы направление магнитного по­ тока протцволежащих полюсов верх­ ней и нижней ветвей индуктора было одинаковым. Обмотку всех полюсов соединяют в две параллельные ветви. Магнитопровод и индуктор охлажда­ ются водой, циркулирующей в медных трубках 7 В таком индукторе зоны на­ грева ленты расположены в шахмат­ ном порядке, наибольшее количество тепла выделяется под катушками.

Размещая соответствующим обра­ зом полюсы магнитопровода и вводя дополнительный одновитковый петле­ образный индуктор 5 при входе ленты,

можно достичь равномерности нагрева по ее ширине* Воздушный зазор между полюсами регулируется специальным механизмом. При частоте тока 2500 Гц и мощности генератора 500 кВт произ­ водительность установки составляет 1 т/ч. Если толщина ленты равна 1,5— 0,5 мм, скорость ее движения соответ­

ственно достигает 9—10 м/мин.

Для повышения равномерности на­ грева и однородности свойств ленты се после нагрева в индукторе иногда выдерживают в печи. На рис. 5.15 изо­ бражена установка для непрерывной закалки ленты из алюминиевых спла­ вов. Лента 1 после нагрева в индукто­ ре 2 с поперечным магнитным Полем проходит электрическую шахтную печь 3 высотой 10 м и закаливается в ба­ ке 4. Для улучшения теплопередачи конвекцией вверху печи установлены Два центробежных вентилятора 5. Лента нагревается с помощью калори­ феров б, отделенных от рабочего про­

странства экраном 7, который не до­ ходит до низа печи. Для нагрева лен­ ты из дюралюминия шириной 700— 1400 мм и толщиной 2 мм при скоро­ сти ее движения 6 м/мин и производи­ тельности установки 2,5—3 т/ч мощ­ ность индуктора должна составлять 500 кВт, а печи 100 кВт.

Оригинальной является закалка с нагревом т. в. ч. под водой отверстий малого диаметра и узких пазов. В этом случае индуктор можно изготовить из проволоки небольшого сечения, кото­ рая расплавилась бы при нагреве на воздухе. Для индукционного нагрева под водой энергии потребляется в 1,5— 2 раза больше, чем для нагрева на воз­ духе, закономерности распределения токов остаются такими же. Зазор, или водяной промежуток, между индукто­ рами и поверхностью отверстий дол­ жен быть не менее 1,5 мм при напря­ жении на индукторе до 500 В.

Метод непрерывно-последователь-

минимальным и не превышал 15— 25 мм. При выборе длины катушки ин­ дуктора необходимо учитывать, что она должна равняться длине нагревае­ мой детали плюс один-два диаметра индуктора. В этом случае влияние рас­ сеивания магнитного потока на конце катушки будет устранено. При нагре­ ве на высокие температуры между теп­ ловым экраном и катушкой индуктора вводят еще водяную рубашку, изготов­ ленную из двух листов красной меди толщиной 1 —1,5 мм С-образного сече­ ния (чтобы не было замкнутого кон­ тура).

Индукционные установки, работа­ ющие на т. п. ч., успешно применяются для нагрева при термической обработ­ ке. При отпуске они позволяют достичь требуемого распределения твердости по высоте детали. Для этого витки ка­ тушки индуктора по высоте детали раз­ мещаются неравномерно. Однако уста­ новки т. п. ч. имеют большое рассеива­ ние магнитного потока и малый коэф­ фициент мощности (cos ф=0,2—0,3). Для повышения последнего внутрь де­ тали приходится вводить железный сердечник, что возможно только в по­ лых деталях.

Наиболее успешно т. п. ч. применя­ ются для нагрева труб и колец с вну­ тренним диаметром не менее 80 мм, толщиной стенки выше 10—15 мм и длиной до 1200 мм. При малых вну­ тренних диаметрах нагреваемых дета­ лей уменьшаются сечение железного сердечника и величина полезной мощ­ ности. Практически для сквозного на­ грева заготовок наиболее целесообраз­ ной частотой будет такая, при которой отношение диаметра заготовки к глу­ бине проникновения тока равно 3—5. Поэтому для сквозного нагрева заго­ товок диаметром меньше 150—120 мм используют частоту 500—2500 Гц, а для повышения коэффициента мощно­ сти применяют конденсаторные бата­ реи. Установка в этом случае состоит из таких же элементов, как и при по­ верхностном нагреве т. в. ч.

На рис. 5.18 показан поперечный разрез установки для нагрева чугун­ ных гильз внутренним диаметром 162 мм. Установка имеет три самосто­ ятельные однофазные катушки индук­ тора, которые включаются в различные фазы, в результате чего достигается равномерная нагрузка электросети. Катушка 4 от нагреваемой гильзы изо^

Рис. 5.18. Установка для индукционного нагре­ ва токами низкой частоты

лирована огнеупорным керамическим экраном 3 толщиной 32 мм и водяной рубашкой 2 толщиной 10 мм. Внут­ ренний железный сердечник изолиру­ ется тепловым экраном 1 и охлажда­ ется водой. Гильзы выдаются и загру­ жаются сверху в кольцевое простран­ ство 5. Подвижное ярмо 6 вместе с крышкой откидывается при помощи рычага 7 и зубчатой передачи 8 от двигателя 9. По окончании нагрева включается двигатель, и крышки всех трех печей вместе с откидным ярмом открываются для выгрузки и загрузки. При мощности установки 35 кВт вре­ мя нагрева составляет 5—7 мин.

На рис. 5.19 дана конструкция ин­ дуктора для сквозного нагрева квад­ ратных заготовок стороной 70—80 мм. Индуктор изготовлен из медной квад­ ратной трубки 4 с толщиной стенки 1,5—2,0 мм, охлаждаемой водой. Ка­ тушка стянута шифер-асбестовыми плитами 9 и деревянными брусками 8 с болтами. От нагреваемых заготовок она изолирована сначала двухмилли­ метровым слоем миканита 3, трехмил­ лиметровым слоем асбеста и 10—25- миллиметровым слоем шамота 2. Друг от друга витки катушки отделены кар­ тоном или лакотканью. Нагреваемые заготовки лежат на двух направляю­ щих /, сделанных из жаростойкой не-

На рис. 5.20 показана схема уста­ новки для нагрева в электролите кон­ цов труб в их горизонтальном положе­ нии. Труба 3, соединенная с катодом, через изоляционную втулку 4 упира­ ется в наконечник 5 штока 7 пневмати­ ческого цилиндра 8. Для нагрева конец трубы 3 вводится в ванну 6 с электро­ литом под давлением штока 1, соеди­

можно осуществлять.в струе электро­

с отрицательным полюсом, при этом в местах попадания струи электролита деталь нагревается. Недостатком спо­ соба нагрева в струе электролита яв­ ляется то, что он растекается по дета­ ли, в результате плотность тока умень­ шается и появляется необходимость в повышении его мощности.

Если место закалки деталей слож­ ной формы (например, шеек коленча­ тых валов) должно быть ограничено, прибегают к нагреву способом контак­ тирования с пористым изолятором, в качестве которого используют пеноша-

Та б л и ц а 5.6. Режим поверхностной закалки

вэлектролите

мотный кирпич. Последний укрепляют в металлической оправе, являющейся анодом. Кирпич обильно смачивают электролитом, который контактирует с деталью, соединенной с отрицательным полюсом. Эффект нагрева возникает только в месте контакта кирпича с по­ верхностью детали.

П о с л е д о в а т е л ь н ы й н а г р е в д е т а л и осуществляется при непре­ рывном ее прохождении через слой электролита. В дно заполненной элек­ тролитом ванны, соединенной с поло­ жительным полюсом, вмонтирована изолирующая втулка из огнеупорного кирпича. Детали (стержни и полосы); подключенные к отрицательному по­ люсу, проходя через изолирующую втулку и электролит, нагреваются. Размеры втулки берутся шире сечения нагреваемого металла на 1—2 мм. При таком зазоре благодаря образованию

Тип ав­ томата

АЭ1

АЭ2

АЭ4

АЭ5

АЭ7

АЭ8

АЭ9

Рис. 5.22. Автомат АЭ-4 для концевого нагрева в электролите

характеристика наиболее типичных из них дана в табл. 5.7.

В основе работы автомата АЭ-4 (рис. 5.22) периодического действия заложен принцип концевого нагрева при изолированном торце. Нагревае­ мая деталь 7 устанавливается в под­ веске 6 с вмонтированным кирпичом 8 и опускается в ванну с электролитом при помощи рычага 1 и кронштейна 5, связанного с подвеской. При опускании рычага 1 одновременно через контакт 2 включаются катушка контактора и ре­ ле времени. Контактор замыкает цепь электромагнита 3, .удерживающего кронштейн, несущий подвеску с дета­ лями. При этом ток подается также на ванну с электролитом и на нагревае­ мые детали. По истечении установлен­ ной продолжительности нагрева реле времени разрывает цепь электромагни­ та и кронштейн с подвеской под дейст­ вием пружины 4 перемещается вверх, выдавая детали. Постоянный уровень электролита поддерживается с помо­ щью насоса.

В автомате АЭ-5 непрерывного дей­ ствия карусельного типа использован принцип концевого нагрева детали при изолированном торце (рис. 5.23). Де­ тали крепятся на десяти подвесках 1, расположенных на окружности бараба­ на, вращающегося с частотой 0,02— 0,03 с"1. Барабан приводится во вра-

Рис. 5.23. Автомат АЭ-5 непрерывного действия для концевого нагрева в электролите

щение от двигателя мощностью 0,5 кВт через редуктор 4. При вращении бара­ бана подвески с деталями посредством копира 3 через ролик 2 погружаются в электролит. По окончании нагрева подвеска с помощью копира поднима­ ется вверх и деталь извлекается из электролита. При мощности генератора 160 кВт можно нагревать заготовки, поверхность которых равна 100— 150 см2.

Электролиты используются также для нагрева при горячем прессовании, штамповке, напайке.

5.5. УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАГРЕВА

ГАЗОКИСЛОРОДНЫМ ПЛАМЕНЕМ

Нагрев газокислородным пламенем применяется для поверхностной закал­ ки деталей. Чаще в качестве газа ис-

лодной прокатки, направляющих ста­

нин и т. п.

Температуру и глубину закаленного слоя при газопламенном поверхност­ ном нагреве регулируют, изменяя со­ став газа, расстояние горелки от дета­ ли, скорость движения горелки или скорость вращения детали. Закален­ ный слой может иметь глубину 2— 5 мм, рекомендуемое отношение объе­ мов кислорода к ацетилену составляет 1,5, расстояние устья горелки от нагре­ ваемой поверхности 3—6 мм. В этом случае продолжительность нагрева при одновременной закалке т = 7 б2 (б — глубина закаленного слоя, мм), а ско­ рость движения горелки при непрерыв­ ном нагреве v=72/62. Закалка с нагре­ вом кислородно-ацетиленовым пламе­ нем чрезвычайно чувствительна ко всем отклонениям от установленного режи­ ма. Поэтому необходимо обеспечить полную автоматизацию процесса.

Для поверхностной пламенной за­ калки цилиндрических тел может быть использован токарный станок, в цент­ рах которого помещается деталь, а на суппорте установлены кислородно-аце­ тиленовая горелка и охлаждающий душПоверхностная закалка осуществ­ ляется при поступательном движении горелки и вращении детали. На рис. 5.26 изображен станок для непрерыв­

но-последовательной поверхностной за­ калки прокатных валов диаметром от 0,5 до 1,2 м. Вал закрепляется в план­ шайбе 2 и поддерживается специаль­ ными люнетами 3, установленными на станине 4. Частота вращения вала ре­ гулируется вариатором 1> который мо­ жет изменять ее в пределах 0,002— 0,01 с-1. Расстояние горелки от зака­ ливаемой поверхности 10—15 мм. Для непрерывно-последовательной закалки плоских поверхностей используют по­ луавтомат для автогенной резки.

На рис. 5.27 показана установка для последовательной закалки отдельных зубьев шестерен, спроектированная ЦНИИТМАШ. Обрабатываемая шес­ терня 3 крепится на подставке 1 с по­ мощью зажима 2. Горелки 5 и 7 и ох­ лаждающее устройство находятся на стойке 6. Они могут перемещаться вдоль нагреваемого зуба при помощи суппорта 10. Точность установки горе­ лок относительно поверхностей закали­ ваемого зуба обеспечивает фиксатор 9. По трубкам 4 и 8 на зубья подается вода, что позволяет предохранить от отпуска закаленные поверхности. Кис­

скруббер, фильтр и регулятор давле­ ния. Это позволит избежать колебаний температуры, давления и состава аце­ тилена.

К недостаткам поверхностной за­ калки с нагревом кислородо-ацетиле­ новым пламенем можно отнести пере­ грев поверхностных слоев нагреваемых деталей в результате воздействия вы­ сокой температуры и значительные внутренние напряжения, которые при небольших отклонениях от режима приводят к трещинам. Указанные не­ достатки могут быть устранены, если ацетилен заменить менее калорийным газом (генераторным, природным и др.), а для сжигания газа использо­ вать керамические микрофакельные го­ релки.

5.6. НАГРЕВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМОЙ

Для нагрева металлов начинают применять низкотемпературную плаз­ му — газообразное вещество, нагретое до температуры, при которой наступа­ ет ионизация его атомов.

Устройства, преобразующие элек­ трическую энергию источника питания в тепловую энергию потока низкотем­ пературной плазмы, называют плазматронами. Низкотемпературная плазма образуется из газа в результате его продувки через зону электродугового разряда (дуговые плазматроны) или высокочастотного безэлектродного раз­ ряда (высокочастотные плазматроны).

В дуговых плазматронах (рис. 5.28, а) для получения плазмы газ подводится в камеру 2 по электроду 7, выполнен­ ному в виде полого плоского стержня, снаружи охлаждаемого водой. Внутри стенки камеры облицованы органичес­ ким стеклом, а снаружи охлаждаются водой. Вторым электродом является охлаждаемая водой торцевая стенка 4, в центре которой находитсяотверстие по форме сопла. При возникновении между электродами дуги подаваемый газ ионизируется и выходит из сопла в виде струи плазмы, имеющей темпера-

Рис. 5.28. Установка дугового плазмотрона для нагрева металла

При электронно-лучевой обработке расходуется минимальное количество энергии по сравнению с другими спо­ собами нагрева (т. в. ч., лазером). Сте­ пень использования энергии в элек­ тронно-лучевых установках составляет 75 %. Выпускаемые промышленностью электронные установки имеют мощ­ ность 60, 125, 250 и 500 кВт, произво­ дительность их диффузионных насосов соответственно равна 10, 20, 40 и 80 тыс. л/с.

Широкое применение электронно­ лучевого нагрева для целей поверхно­ стной закалки пока сдерживается от­ сутствием промышленных установок.

5.8. ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ

Лазер представляет собой оптичес­ кий квантовый генератор (ОКГ) с мо­ щным источником когерентно направ­ ленного света. Монохроматичность и когерентность лазерного излучения по­ зволяют фокусировать луч в пятно диа­ метром до нескольких микрометров при очень большой плотности энергии (до 1012—1020 Вт/см2).

Лазерный луч широко применяется для фигурной резки материалов, про­ шивки самых малых отверстий, сварки, плавления и нагрева. Он образуется в результате высвобождения энергии си­ стемы возбужденных атомов при инду­ цированном излучении под воздействи­ ем внешнего электромагнитного поля. Оптическим резонатором является си­ стема двух плоских строго параллель­ ных друг другу зеркал. При накачке между зеркалами активной среды ко­ личество атомов на верхнем энергети­ ческом уровне превышает их количест­ во на нижнем. Когда хотя бы один воз­ бужденный атом спонтанно излучает фотон в направлении, параллельном оптической оси, начинается лавинный процесс излучения. Многократно отра­ жаясь от зеркал резонатора, фотоны распространяются через активную сре­ ду и интенсифицируют развитие про­ цесса. Если на верхнем уровне актив­ ной среды возбуждение атомов превы­ шает некоторую пороговую величину, процесс интенсивно нарастает. Свето­ вые волны, параллельные оси резона­ тора, усиливаются и выводятся через полупрозрачное зеркало в виде узкого пучка когерентного света. Монохрома­ тичность излучения определяется резо­ нансными свойствами атомов. Фаза,

частота, поляризация и направление распространения луча совпадают с ха­ рактеристиками волны внешнего элек­ тромагнитного поля накачки.

Для нагрева, плавления и сварки используются потоки малой плотности (104—105 Вт/см2) и применяется види­ мый свет с длиной волны 0,3—1,3 мкм, что обеспечивает максимум поглоще­ ния света металлом.

Основной характеристикой лазерно­ го луча является энергия излучения, которая зависит от мощности излуче­ ния, длительности светового импульса и площади фокусного пятна на поверх­ ности детали.

Наибольшее распространение полу­ чили твердотельные лазерные установ­ ки на рубине или неодимовом стекле. Твердотельный лазер состоит из таких основных элементов: оптической голов­ ки с активным элементом и источником: накачки, источника питания, блока поджига, синхронизирующего устрой­ ства и системы охлаждения активного вещества. Активной примесью в рубине является хром (металлы переходной группы), а в стеклах — неодим (эле­ мент редкоземельной группы). Приме­ си обусловливают появление запрещен­ ных энергетических уровней.

В упрощенной схеме твердотельно­ го лазера на рубине (рис. 5.30, а) элек­ троны атомов хрома под действием света спиральной импульсной лампьс подкачки 2 возбуждаются и достигают* более высоких энергетических уровней.. Атомы отдают часть своей энергии, в; результате чего электроны переходят* на промежуточный метастабильный уровень, излучают фотоны света харак­ терной длины волны и возвращаются в. невозбужденное состояние. Рубиновый стержень 1 с посеребренным» и отпо­ лированными строго параллельными торцами служит оптическим резонато­ ром, а торцы играют роль параллель­ ных зеркал. Индуцированное излуче­ ние, много раз проходя через активную, среду, значительно усиливается. Луч из. лазерной головки поступает в оптическую систему и фокусируется линзами* на поверхности обрабатываемой де­ тали.

Импульсная лампа накачки питает-, ся за счет энергии, получаемой от ис­ точников тока высокого напряжения через специальные накопители 3. Раз­ ряд на лампу производится высоко­ вольтным импульсом от электрода по-

джигающего устройства. Длительность поджигающего импульса не должна превышать 100—150 мкс. Электричес­ кая энергия, запасенная емкостным на­ копителем 3, преобразуется в световую энергию, излучаемую импульсной лам­ пой.

В современных конструкциях ОКГ чаще всего используют прямолинейные трубчатые лампы. Рабочие характери­ стики ОКГ существенно зависят от температуры, поэтому активное веще­ ство, в данном случае рубиновый стер­ жень, охлаждают. Зарядом управляют автоматически. В контур автоматичес­ кого управления входит схема обрат­ ной связи, преобразующая напряжение накопителя в сигналы управления ре­ жимом заряда и поддерживающая па­ раметры на заданном уровне.

Для увеличения энергии и мощнос­ ти лазеров в одних случаях применяют несколько стержней, в других — неско­ лько зеркал или призм (метод модуля­ ции добротности), которые включают­ ся в те моменты, когда излучение быст­ ро нарастает и лазер дает мощный («гигантский») импульс.

В СССР выпускается установка «Квант-16», используемая для термо­ обработки инструмента, лазер ее вы­ полнен на стекле с неодимом. Длина волны излучения 1,06 мкм, энергия в импульсе до 30 Дж, длительность его 6—7 мс и частота повторений до 30 в 1 мин. Оптическая система установки позволяет фокусировать излучение в световое пятно диаметром от 0,2 до 0,5 см с плотностью потока излучения

104Вт/см2.

Впоследнее время для поверхност­

ной закалки и химико-термической об­ работки применяют газовые лазеры са­ мых разнообразных конструкций. Схе­ ма оптической части наиболее простого газового лазера приведена на рис. 5.30, б. Газоразрядная трубка 3 поме­

щается в оптический резонатор 4 со строго параллельными зеркалами 1. Газовая смесь возбуждается путем по­ дачи высокочастотного напряжения с блока питания высокочастотного гене­ ратора на электроды 2. Для зажигания разряда в трубке используется наруж­ ный электрод, на который подается им­ пульсное напряжение 10 кВ, получае­ мое при разрядке конденсатора емко­ стью 1—2 мкФ.

В США и Японии для поверхност­ ной закалки деталей чаще применяют газовые лазеры с углекислым газом не­ прерывно волнового типа мощностью 1—5 кВт, их к. п. д. доходит до 30 %. Лазер дает когерентный луч инфра­ красной фотонной энергии, выделяю­ щейся при возбуждении электрическим током газовой смеси углекислоты, азо­ та и гелия. Ведущими фирмами Япо­ нии и США по изготовлению лазеров для промышленных целей являются фирмы «Фотон Сосис», Дж. Ти. И. «Сильвания», «Когерент Инк» и др. На одном из предприятий фирмы «Дженерал Моторе» (США) посредством га­ зовых лазеров осуществляется закалка стальной гильзы.

В СССР выпускаются установки га­ зовых лазеров с С02 типа ЛТ1-2.

Лазерное излучение при термичес­ кой обработке применяется главным образом для поверхностного упрочне­ ния деталей импульсной закалкой.

В результате нагрева лазерным лучом

ибыстрого охлаждения поверхностно­ го слоя достигаются высокие значения микротвердости. Это создает предпо­ сылки для увеличения износостойкости инструмента типа микроштампов, ма­

лых прессформ и инструмента. Хоро­ шая фокусировка лазерного луча поз­ воляет выполнять локальную закалку участков поверхности детали.

Лазеры начинают применяться для местной поверхностной закалки дета­