التسخين التعريفي منذ عام 2000

بحث
أغلق مربع البحث هذا.

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (7)

  كان استخدام الحث الكهرومغناطيسي في المعالجة الحرارية شائعًا. ومع ذلك ، فإن الوضع الحالي للمعالجة الحرارية التعريفي يشير إلى أنه قد يكون هناك مجال كبير للتطوير.

  إن الطلب على الكفاءة وحماية البيئة في صناعات السيارات والطيران ، وابتكار إمدادات الطاقة الحثية ، والتقدم في محاكاة عملية المعالجة الحرارية بالحث ، كلها تساهم في تطوير تقنية المعالجة الحرارية التعريفي ، والتي توشك على الدخول في "الذهبي" سن".

الكفاءة والمزايا البيئية:

  الخصائص الأساسية للحث الكهرومغناطيسي تجعله جذابًا لصناعة المعالجة الحرارية في عصر الوعي البيئي والسعي وراء انخفاض التكاليف. التسخين التعريفي هو طريقة مباشرة للتدفئة يتم فيها توليد الحرارة في المكون الذي يتم تسخينه بدلاً من نقله إلى المكون من البيئة المحيطة. نظرًا لأن التسخين بالحث يولد حرارة عند السطح وتحته ، فهو ليس سريعًا فحسب ، بل إنه عالي الكفاءة عادةً.

  غالبًا ما تكون الكفاءة الكهرومغناطيسية لعملية المعالجة الحرارية التعريفي عالية جدًا. لتصلب الحث للمواد المغناطيسية مثل الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ مارتينسيت ، عادة ما تكون هذه الكفاءة في نطاق 70-80٪ (وحتى أقرب إلى 90٪ لتلطيف هذه المواد). لا يتضمن تصلب الحث أيضًا انتشار المواد الكيميائية إلى أجزاء. لذلك ، يعتبر التصلب بالحث بشكل عام طريقة "أنظف" مقارنة بالطرق الحرارية الكيميائية مثل الكربنة والنتريد.

الابتكار في إمدادات الطاقة الحثية:

  أدى تطوير مصادر الطاقة عالية التردد الترانزستور في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي إلى تغيير وجه المعالجة الحرارية التعريفي إلى حد كبير. أدى ظهور إمدادات الطاقة المزدوجة التردد المتزامنة في أواخر التسعينيات وأوائل القرن العشرين إلى تحسين القدرة على إحداث التصلب بشكل كبير ، خاصة بالنسبة للتروس الصغيرة والمتوسطة الحجم. في السنوات الأخيرة ، بعد ما يقرب من 1950 عامًا من التطور البطيء لقوة الحث ، ظهرت تقنية ثورية - عاكس يمكنه في الواقع تعديل تردد العمل على الفور.

  في التسخين التعريفي ، يؤثر تواتر المجال الكهرومغناطيسي المطبق (أي تردد التيار المتردد الذي يمر عبر ملف الحث) على عمق توليد الطاقة الحرارية في المكون الذي يتم تسخينه. يُطلق على العمق الذي يولد إليه الموصل الذي يعمل بالتيار المتردد معظم الحرارة (حوالي 86٪) بعمق الاختراق. عمق الاختراق (δ) هو دالة لمقاومة الموصل (ρ) ، والنفاذية (μ) وتردد المجال المغناطيسي المطبق (F) ، ويمكن تقريبه على النحو التالي:

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (1)

دراسة حالة: مسح تصلب

  تصلب المسح هو تطبيق ناضج لإمدادات الطاقة ذات التردد المتغير. توفر القدرة على تغيير التردد حلاً مثاليًا لتلبية متطلبات التصلب للأشكال المختلفة على طول الجزء الممسوح ضوئيًا.

  يوضح الشكل 1 عملية تصلب المسح الضوئي لعمود من الصلب الكربوني المتوسط ​​(SAE 4140) ، مما يوفر دراسة حالة مناسبة. هذا العمود المجوف يمثل العديد من قطع غيار السيارات الحديثة. نهايتها على شكل شفة. يختلف قطر جسم العمود بشكل كبير ، حيث يبلغ قطر الجزء العلوي والسفلي الجزء الانتقالي حوالي 45 مم و 50 مم على التوالي.

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (5)

  الشكل 1. مسح عملية التصلب بحثًا عن عمود من الصلب الكربوني المتوسط ​​(SAE 4140)

  هذا التباين في القطر 5 مم كبير جدًا بالنسبة للعمق المطلوب لطبقة التصلب ، مما يجعل من الصعب التحكم في المجال الكهرومغناطيسي والتدفئة. في الزوايا الداخلية لتحولات القطر ، من الصعب توليد حرارة كافية لنقلها إلى كمية كبيرة نسبيًا من المواد المحيطة. يعمل وجود أخاديد 0.5 مم بشكل فعال على تحسين الاقتران المحلي بين الملف والمكونات ولكنه يفرض تحديات إضافية على العملية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الزاوية الخارجية عرضة لارتفاع درجة الحرارة لأنها تبرز للخارج وتدخل منطقة خط المجال المغناطيسي حول الملف أحادي الدوران.

  إذا تم استخدام تردد واحد في تصلب مثل هذا المكون ، فمن المحتمل أن يتم اختيار 30 كيلو هرتز لضمان عمق تصلب فعال يبلغ حوالي 2 مم. كما هو مبين في الشكل 2 ، تحقق العملية تصلبًا جيدًا على طول معظم طول المكون ، ولكن هناك مشاكل في انتقال القطر.

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (6)

  الشكل 2. حققت العملية تصلبًا جيدًا على طول معظم طول المكون ، ولكن كانت هناك مشاكل في انتقال القطر.

  بسبب عدم كفاية الأوستينيت (أي التسخين) ، يتم إنشاء كمية صغيرة جدًا من المارتينسيت عند الأخاديد. يبدو أن زيادة طاقة الملف في هذه المنطقة و / أو تمديد وقت التسخين الفعال هي تصحيحات منطقية. ومع ذلك ، سيؤدي ذلك إلى زيادة درجة حرارة الذروة عند الزاوية الخارجية المجاورة. إذا كانت درجة الحرارة هذه بالفعل عند مستوى 1,060،1,940 درجة مئوية (XNUMX،XNUMX درجة فهرنهايت) ، فقد تؤدي الزيادات الإضافية إلى نقل الحبوب المحلية غير المرغوب فيها (وربما غير مقبول).

  نظرًا لأن المسافة بين الزاوية الداخلية والزاوية الخارجية لا تتعدى 3 مليمترات ، فإن رفع درجة الحرارة عند الزاوية الداخلية دون رفع درجة الحرارة عند الزاوية الخارجية يبدو وكأنه مهمة مستحيلة. ومع ذلك ، كما هو موضح في الشكل 3 ، يتم ذلك بنجاح عن طريق تغيير التردد عند تسخين انتقال القطر حيث يصل الملف.

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (4)

  الشكل 3. عن طريق تغيير التردد عند تسخين جزء انتقال القطر ، تم بنجاح رفع درجة الحرارة في الزاوية الداخلية بدون الزاوية الخارجية.

  يؤدي تقليل تردد خرج العاكس من 30 كيلو هرتز إلى 10 كيلو هرتز إلى زيادة عمق الاختراق في المكون بحوالي 1.7 مرة ، ويقلل من تأثير القرب الكهرومغناطيسي في الزاوية الداخلية ، ويقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة في الزاوية الخارجية. أدى تغيير التردد هذا إلى زيادة عمق طبقة تصلب السطح عند الفتحة وخفض درجة حرارة الذروة للكتف المجاور بنحو 40 درجة مئوية.

  توضح دراسة الحالة البسيطة نسبيًا ميزة جودة مهمة لأنظمة تصلب المسح المتغير التردد. توفر القدرة على ضبط التردد مزايا إضافية إذا كان المكون يتطلب أعماق مختلفة لطبقة التصلب على طول الطول. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أنه خارج نطاق هذه المقالة ، توفر تقنية IFP مزايا الكتلة والمرونة للعديد من التطبيقات الأخرى ، بما في ذلك التصلب الأفقي المستمر ، والتصلب الدوراني (للتروس والعجلات المسننة) ، والتخفيف ، وتخفيف الضغط.

المحاكاة في تصميم المعدات والعمليات:

  يمكن أن يؤدي استخدام محاكاة الكمبيوتر في تصميم أنظمة المعالجة الحرارية التعريفي إلى تحسين جودة المنتج ، وتقصير وقت التصميم ، وتقليل تكاليف التصنيع ، وتسريع تطوير العملية. ومع ذلك ، يمكن محو هذه المزايا بسهولة بحلول الوقت الذي يستغرقه تطوير نماذج موثوقة وحساب النتائج المرجوة.

  في بعض التطبيقات ، خاصة تلك التي تتطلب محاكاة ثلاثية الأبعاد ، فإن الوقت المطلوب للحصول على معلومات مفيدة من خلال المحاكاة هو ببساطة غير مقبول. لحسن الحظ ، فإن القوة المتزايدة لبرامج المحاكاة والتكلفة المنخفضة لأجهزة الكمبيوتر تجعل هذه العقبة أصغر وأصغر.

دراسة حالة: التصلب لمرة واحدة:

  في عملية التصلب لمرة واحدة ، يتم استخدام ملف تحريض قادر على إحداث كل من التيارات المحيطية والطولية لتسخين المكون بالكامل المراد تقويته (الشكل 4). تدور الأجزاء أثناء عملية التسخين والتبريد لتعزيز التصلب المنتظم للجسم كله. تعد القدرة على محاكاة عملية التصلب لمرة واحدة بشكل موثوق في وقت معقول أمرًا مهمًا لمصنعي ومستخدمي معدات المعالجة الحرارية التعريفي للأسباب التالية:

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (3)

  تين. 4. عملية التصلب لمرة واحدة تستخدم ملفات الحث التي تولد كلاً من التيارات المحيطية والطولية لتسخين المكونات ككل.

• التصلب لمرة واحدة هو عملية معالجة حرارية تحريضية شائعة جدًا.

• تصميم ملفات الحث القابل للتصرف أقل حدسية بكثير من تصميم معظم ملفات التصلب بالحث الأخرى.

• يعتمد تأثير معالجة التقسية بشكل أساسي على شكل الملف بدلاً من معاملات العملية (على عكس تصلب المسح).

• يمكن أن يكون عمل الملفات مكلفًا ، خاصة إذا أخذنا في الاعتبار أن تصميمات التجربة والخطأ تتطلب غالبًا مراجعات متكررة.

• ملفات الحث التي يمكن التخلص منها عادة ما تكون عالية في كثافة الطاقة وبالتالي فهي عرضة للتلف المبكر.

  لسوء الحظ ، تستلزم الخصائص الفيزيائية لعملية التصلب لمرة واحدة استخدام محاكاة التسخين الكهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد ، وكان الوقت اللازم لإنشاء نماذج العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد وحساب النتائج الدقيقة عقبة كبيرة. لذلك ، لا تزال محاكاة عملية التصلب التعريفي لمرة واحدة في الصناعة نادرة جدًا.

  ومع ذلك ، وكما يوضح الشكل 5 ، فإن هذا يتغير. القوة المتزايدة للبرامج ، إلى جانب انخفاض تكلفة موارد الحوسبة ، تجعل عمليات المحاكاة المعقدة التي تتطلب كميات كبيرة من الموارد أمرًا ممكنًا بشكل متزايد. يحصد مصنعو ومستخدمو معدات المعالجة الحرارية التعريفي ثمارها.

فرص التطبيق للمعالجة الحرارية التعريفي (2)

  الشكل 5. القدرات المتزايدة للبرمجيات والتكلفة المنخفضة لموارد الحوسبة تجعل عمليات المحاكاة المعقدة التي تتطلب كميات كبيرة من الموارد ممكنة بشكل متزايد.

التحقيق الآن
خطأ:
انتقل إلى الأعلى

الحصول على اقتباس