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高頻感應加熱設備的功率怎么選擇(含功率和頻率的計算方法)

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眾所周知,感應淬火時的頻率選擇是非常重要的。因為不同的電流頻率,將在零件中產生不同的透入深度,在隨后的淬火中可獲得到不同深度的硬化層。

高頻感應加熱設備的功率怎么選擇(含功率和頻率的計算方法)

高頻(中頻)電流有個重要的特性叫表面效應,即隨著電流頻率的提高,高密度的感應電流,更趨向零件表面。頻率越高,表面電流密度越大,電流透入深度越小。頻率越低,電流透入深度越大。

對于鋼制實心圓柱形零件而言,電流透入深度Δ一般用式(1)進行計算

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式中:ρ——鋼的電阻率,20℃的鋼ρ≈10-5Ω·cm;800℃的鋼ρ≈10-4Ω·cm;

μ——鋼的磁導率,20℃的鋼μ≈100;800℃的鋼μ≈1;

f——電流頻率,Hz。

感應淬火一般是零件的表面層淬火,硬化層Ds與電流透入深度有密切關系,特別是熱態電流透入深度。于是我們更為關注當零件表面層達到800℃時的電流透入深度,這個深度被稱為熱態電流透入深度,用Δ800℃表示。達到800℃以上的表面層,在隨后冷卻中有相當的深度就是淬火層,但因為感應加熱速度很快,相變點隨之提高,因此不是達到800℃的層深都能轉變為淬火層。各種頻率的Δ800℃直接影響工件的加熱方式、淬火質量和感應器設計。

對于鋼制零件而言,表面層達到800℃時ρ和μ已是定值,于是我們可以將式(l)整理、簡化成為式(2)的形式,并可以直接計算各種頻率的熱態電流透入深度Δ800℃,列于表1。

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表1各種頻率的電流熱態透人深度

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那么硬化層Ds與熱態電流透入深度Δ800℃應該是什么關系呢?作者根據多年的專業工作經驗,認為保持式(3)的關系為最好。這種關系能使加熱時間縮短、生產效率提高、淬火質量良好(表面硬度高、壓縮殘余應力大、淬火過渡層?。?。這種加熱方式稱為透入式加熱方式,即硬化層小于熱態電流透入深度。

Ds≈△800℃/2(3)

圓柱形零件表面淬火時,硬化層Ds與頻率f之間的關系還可用下面的公式計算:

最低頻率fmin>15000/DS2(5)

最佳頻率f≈60000/DS2(6)

式中DS——硬化層深度(mm)。

利用公式(5)、(6)我們可以算出不同硬化層深度所需要的電流頻率,并列入表2。研究表2可知,為獲得某一種深度的硬化層,可用的頻率范圍實際是很寛的。感應加熱表面淬火,頻率的選擇是重要的,但還應該說明功率密度(比功率)、加熱時間(或掃描淬火的速度)等參數的選擇也是重要的。在選擇電流頻率以后,只有功率密度和加熱時間(或掃描淬火的速度)兩項都較為合適的情況下,才能得到滿意的硬化層。

表2各種硬化層深度所需的電流頻率

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圓柱形零件在選擇電流頻率時,還應該考慮到零件直徑的影響。一般說來零件直徑越大,硬化層越深,所需頻率越低。俄國學者研究:當熱態電流透入深度小于或等于零件直徑的10%時,感應加熱效率最高,最高者可達到80%;當熱態電流透入深度達到零件直徑的30%時,感應加熱效率下降到70%。根據我們的經驗,表面淬火的零件直徑與電流頻率之間有如下關系,見表3。

表3零件直徑與電流頻率之間的關系(圓環感應器)

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硬化層深度與直徑大小綜合考慮,可用表4選擇頻率。

表4零件直徑和硬化層深度與電流頻率的關系

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在頻率的選擇中還存在兩個概念:

當Ds<Δ800℃稱為透入式加熱

當Ds>Δ800℃稱為傳導式加熱

兩種加熱方式有很大的不同,見表5

表5兩種加熱方式效果比較

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頻率選擇盡管重要,但熱處理廠因為設備品種有限,不能認真進行頻率選擇。往往用一臺電子管高頻設備(頻率150~300kHz)應對多種零件,自然有一些零件的感應加熱是以傳導方式進行的。例如某種小軸直徑40mm、硬化區長度50mm,小軸硬化層分別為2、3、4、5mm。分別利用300kHz高頻和2kHz中頻進行淬火,其結果列于表6。

表6兩種加熱方式效果比較

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研究表6可知,利用300kHz高頻淬火,加熱方式是傳導方式加熱,它造成零件表面有較高的過熱度,它與透入式加熱的中頻淬火相比,加熱時間是后者的3.6~5.4倍,消耗電能是后者的1.3~1.5倍??梢娡溉胧礁袘訜崾歉咝Ч澞艿募訜岱椒?。

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