лей сложной формы, когда доступ энергии к нагреваемой поверхности за­ труднен. Изгибая и отражая с помо­ щью зеркал луч лазера, можно нагре­ вать почти любую поверхность. Боль­ шим преимуществом лазера является возможность нагрева изделий без ва­ куума — на воздухе или в атмосфере инертного газа. На воздухе после пода­ чи первого импульса образуется небо­ льшая окисная пленка, которая увели­ чивает коэффициент поглощения све­ тового излучения. При нагреве в аргоне глубина закаленного слоя несколько уменьшается, но качество поверхности получается высоким, поэтому процесс шлифовки может быть исключен.

Степень использования энергии при лазерной обработке составляет 7— 10 % выходной мощности установки, которая равна 3—4 кВт, поэтому одно­ временно может быть нагрета поверх­ ность изделия до 6 см2.

Для нагрева изделий сложной фор­ мы и повышения производительности установки применяют несколько лазе­ ров или используют многолучевые ус­ тановки, работающие от одного источ­ ника энергии. Проектируются лазерные установки для поверхностной закалки мощностью до 10 кВт и более. Бескон­ тактный нагрев позволяет полностью автоматизировать процесс обработки. Узкие направленные электронные и ла­ зерные лучи можно использовать для нанесения местных упрочнений в виде сеток с целью создания специальных композиционных конструкционных ма­ териалов.

Кроме твердотельных и газовых ла­ зеров, в ряде областей промышленнос­ ти применяют полупроводниковые и химические.

Тепло, затрачиваемое на потери, и общая мощность установки определя­ ются в зависимости от ее типа и спосо­ ба нагрева.

5.9.1. Расчет непосредственного электронагрева

Основными потерями тепла при не­ посредственном нагреве в воздушной или газовой среде являются потери лу­ чеиспусканием поверхностью заготов­ ки, которые резко меняются с повыше­ нием температуры. Поэтому мощность установки и время нагрева т точнее можно определить по отдельным ступе­ ням нагрева: 20—100; 100—200; 200— 300 °С и т. д. Минимально необходимое напряжение находится по конечной стадии нагрева, когда тепло, выделяю­ щееся в заготовке по, закону Джоуля, идет в основном на потери лучеиспус­ канием ее поверхностью. Если темпера­ туру окружающего воздуха не учиты­ вать, то формула передачи тепла луче­ испусканием примет вид

где С — коэффициент лучеиспускания. Вт/(м2-К4); Тм.к — конечная темпера­ тура нагрева металла, К; F — поверх­ ность заготовки, м2; т — время выдерж­ ки при данной температуре, с.

Приравняв правые части формул (5.1) и (5.8), получим для конечной стадии нагрева на воздухе:

5.9. ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ УСТАНОВОК

И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА

Мощность, развиваемая индукцион­ ной установкой или аппаратом непо­ средственного электронагрева, расхо­ дуется на нагрев металла, потери в ок­ ружающую среду и в самой установке. Тепло, идущее на нагрев металла,

где Q — масса нагреваемого металла, кг; /м.к и t0 — конечная и начальная температуры металла, °0 ; ct — сред­ няя теплоемкость, кДж/(кг-К).

Заменив Rt—ptl/q, получим

где р* — электрическое удельное сопро­ тивление, Ом-м; I— длина заготовки, м; q — площадь поперечного сечения заготовки, м2.

При минимальном напряжении £/т1п процесс нагрева сильно затягивается, поэтому напряжение трансформатора следует увеличить на 25—30 %, т. е. U = (1,25—1,30) Umln.

Результаты расчетов по определе­ нию времени нагрева целесообразно сводить в таблицу (табл. 5.8). Для:

каждого периода находят генерируе­ мую за одну секунду в изделии энергию

U2

Nv== £«1000 ’

и потери энергии лучеиспусканием

Энергия, необходимая для нагрева ме­ талла,

NM= GCt(thi.K — ^м.н).

Время нагрева в данном интервале

температур

лг„

x — Nt—Na0T-

Знаменатель последней формулы соот­ ветствует энергии, которую можно ис­ пользовать для нагрева металла. Если (Nr—ЛГпот) = 50 кВт, а для нагрева из­ делия в секунду требуется NM= = 100 кВт, то время нагрева в данном

температурном интервале составит 2 с..

Электрическое удельное сопротив­ ление рt меняется с температурой на­ грева по прямой линии, поэтому для какой-либо температуры tx оно может быть определено графически по двум точкам: р 2о и р 9оо (табл. 5.9). Значения р 9оо для всех сталей практически оди­ наковы. Это объясняется тем, что с об­ разованием твердого раствора и изме­ нением температурных коэффициентов значения удельного сопротивления вы­ равниваются.

Пример. Определить напряжение и время нагрева при непосредственном электронагреве прутка из стали Ст. 50 (0,5 %) диаметром 10 мм, длиной 3 м, массой 2,0 кг и поверхнос­ тью F = 0,094 м2 до температуры 900 °С (см. табл. 5.8).

Для круглого прутка диаметром d и дли­

Подставив полученное значение в формулу (5.9), определим минимально необходимое на­ пряжение для круглого прутка:

^ G9HSIX г&гышх

1,00

1,20

зультаты продолжительности нагрева по отдель­

ным ступеням.

При напряжении во вторичной обмотке трансформатора, равном 25 В, максимальная мощность, подводимая к детали в начальный момент нагрева, составляет 74:1 = 74 кВт, а средняя мощность за цикл нагрева 289 : 55,9 « «5,2 кВт.

5.9.2. Расчет индукционного нагрева

Мощность индукционной установки находится в зависимости от времени нагрева. Чем меньше время нагрева, тем требуется большая мощность. Мас­ са нагреваемого металла приближен­ но определяется глубиной проникно­ вения б токов в металл при горячем ре­ жиме. Для деталей цилиндрической формы масса нагреваемой части

где т|т — термический к. п. д., завися­ щий от частоты тока. В низкочастотных установках с тепловой изоляцией и центрирующими приспособлениями т)т = 0,85—0,90. Для звуковых частот (2000—10000 Гц) т]т= 0,40, а для ра­ диочастот (60—80 кГц) т]т определяет­ ся степенью перегрева поверхности по сравнению с заданной температурой: •при перегреве на 100 °С г)т = 0,12; при перегреве на 200 °С т\т— 0,21. В ин­ дукционных установках с футерован­ ной катушкой индуктора коэффициент т]т колеблется в пределах 0,8—0,75, точнее он может быть подсчитан по формулам потерь тепла стенками. Для цилиндрического рабочего пространст­ ва и однослойной футеровки

где I—длина футеровки, м; /ви и /нар— температура внутренней и наружной стенок футеровки, причем /вн = /м.ь> /нар находится из расчета потерь тепла через стенку (следует учесть, что теп­ ло, получаемое наружной стенкой фу­ теровки, передается воде, которая ох­ лаждает трубки индуктора); К = 0,8— 1,0 Вт/(м-К) — коэффициент тепло­ проводности футеровки из шамота; daap и с/вп — наружный и внутренний диаметры футеровки, м. Толщина фу­

где г — время нагрева детали, с. Время поверхностного нагрева т.в.ч..

лить, исходя из удельной мощности ге­

а при непрерывно-последовательном: 1,3—1,5 кВт/см2:

Qт

Х ~ (0,60—0,65)Муд.г^ '

Здесь N уд.г — удельная мощность ге­ нератора, кВт/см2; F — нагреваемая поверхность детали, см2.

Зависимость минимального времени сквозного индукционного нагрева заго­ товок от диаметра и частоты при тем­ пературном перепаде между поверх­ ностью и сердцевиной в конце нагрева 100 °С показана на рис. 5. 31. Для слу­ чая нагрева труб вместо диаметра следует брать удвоенную толщину стенки.

Мощность генератора нагреватель­ ной установки

Nr = Nт/т]эл>

где г]эл — электрический к. п. д. уста­ новки. Для высокочастотных установок

С МаШИННЫМ Ген ерато ром Т]эл = Т]инд-

т)Тр. К. п. д. катушки индуктора Т1инд 0,75—0,80, а к. п. д. трансформатора с железным сердечником т]Тр = 0,80— 0,85, тогда т)эл = 0,60—0,65.

Для высокочастотных установок с ламповым генератором т]Эл =0,55— 0,60, а для индукционной установки промышленной частоты т]Эл /= 0,65е—

Рис. 5.31. Зависимость времени сквозного на­ грева заготовок индукционным способом от их диаметра и частоты тока

0,75. При непрерывно-последователь­ ном методе индукционного нагрева вы­ соту индуктора принимают равной 20— 30 мм, а скорость его движения в пре­ делах 3—5 мм/с.

Мощность конденсаторных батарей Nc должна быть равна реактивной мощности, создаваемой закалочной си­ стемой. В первом приближении Nc= = l,5M/coscp, а емкость конденсатор­

ных батарей

No109 Сконд = ~2nfU2’ *

Здесь U — напряжение батареи, кВ. Коэффициенты мощности cos ср для

машинных генераторов, работающих на частотах 2500 и 10000 Гц, соответ­ ственно равны 0,3 и 0,15. Для лампо­ вых генераторов при частотах 60— 80 кГц cos ср = 0,05. Потери энергии в бумажно-масляных конденсаторах со­ ставляют 0,2—0,25 %, в керамических и слюдяных 0,05—0,10 %, поэтому, не­ смотря на малый cos ф и большую ре­ активную мощность, они невелики.

нагрева равна 920 °С (перегрев 100 °С).

Выберем машинный генератор мощностью 150 кВт, ВГ-150—2500. Определим время нагре­ ва всех шеек коленчатого вала автомобиля при последовательном способе нагрева:

n[d2—{d—2б)2 ] X

4NгТ]т11ипдТ|тр

Полученные данные сведем в табл. 5.10. Пример 2. Определить время нагрева т. в. ч.

66 кГц). Используя непрерывно-последователь­