Под индукционной термоусадочной посадкой подразумевается использование технологии индукционного нагрева для предварительного нагрева металлических компонентов от 150 °C (302 °F) до 300 °C (572 °F), что приводит к их расширению и позволяет вставлять или удалять другой компонент. . [1] Обычно более низкий температурный диапазон используется для таких металлов, как алюминий , а более высокие температуры используются для таких металлов, как низко-/среднеуглеродистые стали . Этот процесс позволяет избежать изменения механических свойств, позволяя при этом обрабатывать компоненты. Металлы обычно расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении; эта размерная реакция на изменение температуры выражается как коэффициент теплового расширения . [2]
Индукционный нагрев — это процесс бесконтактного нагрева, в котором используется принцип индукции электромагнетизма для производства тепла в заготовке. В этом случае тепловое расширение используется в механическом применении для подгонки деталей друг к другу, например, втулку можно надеть на вал, сделав ее внутренний диаметр немного меньшим, чем диаметр вала, а затем нагрев ее до тех пор, пока она не сядет на вал. и позволяя ему остыть после того, как он был надет на вал, обеспечивая таким образом «термическую посадку». Поместив проводящий материал в сильное переменное магнитное поле , можно заставить электрический ток течь в металле, тем самым создавая тепло из-за потерь I 2 R в материале. Генерируемый ток течет преимущественно в поверхностном слое. Глубина этого слоя определяется частотой переменного поля и проницаемостью материала . [3] Индукционные нагреватели для термоусадочной посадки делятся на две большие категории:
Часто называемый нагревателем подшипника, блок сетевой частоты использует стандартные принципы работы трансформатора . Внутренняя обмотка намотана вокруг ламинированного сердечника, аналогично стандартному сетевому трансформатору. Затем сердечник пропускают через заготовку, и когда на первичную катушку подается напряжение, вокруг сердечника создается магнитный поток . Заготовка действует как вторичная обмотка короткого замыкания созданного трансформатора, и благодаря законам индукции в заготовке протекает ток и выделяется тепло. Сердечник обычно шарнирно или закреплен каким-либо образом, что позволяет осуществлять загрузку или разгрузку, которая обычно выполняется вручную. Чтобы компенсировать различия в диаметре детали, большинство устройств будут иметь в наличии запасные сердечники, которые помогают оптимизировать производительность. Как только деталь нагреется до нужной температуры, сборка может осуществляться либо вручную, либо на соответствующем приспособлении или машинном прессе . [4]
Нагреватели подшипников обычно имеют мощность от 1 до 25 кВА и используются для нагрева деталей массой от 1 до 650 кг (от 2,2 до 1433,0 фунтов), в зависимости от применения. Требуемая мощность зависит от веса, заданной температуры и времени цикла. Для облегчения выбора многие производители публикуют графики и диаграммы.
Из-за необходимости вставки сердечника, а также из-за того, что для эффективности сердечник должен находиться в относительно непосредственной близости от отверстия нагреваемой детали, существует множество применений, в которых описанный выше подход к нагревателю подшипника невозможен.
В тех случаях, когда эксплуатационные сложности не позволяют использовать подход с использованием частоты сети, можно использовать стандартный индукционный нагреватель RF или MF. В устройствах этого типа используются витки медной трубки, намотанные в электромагнитную катушку . [5] Сердечники не требуются, катушку нужно просто окружить или вставить в нагреваемую деталь, что упрощает автоматизацию процесса. Еще одним преимуществом является возможность не только уменьшать посадку деталей, но и снимать их.
ВЧ и СЧ нагреватели, используемые для индукционной термоусадочной посадки, различаются по мощности от нескольких киловатт до многих мегаватт и в зависимости от геометрии/диаметра/поперечного сечения компонента могут варьироваться по частоте от 1 кГц до 200 кГц, хотя в большинстве случаев используется диапазон между 1 кГц и 100 кГц. [5]
В общем, при термоусадочной посадке лучше всего использовать самую низкую практическую частоту и низкую удельную мощность, поскольку это обычно обеспечивает более равномерное распределение тепла. Исключением из этого правила является использование тепла для снятия деталей с валов. В этих случаях часто лучше всего подвергнуть компонент быстрому нагреву. Это также имеет то преимущество, что сокращает временной цикл и предотвращает накопление тепла в валу, которое может привести к проблемам с расширением обеих частей.
Чтобы правильно подобрать мощность, необходимо сначала рассчитать тепловую энергию , необходимую для поднятия материала до необходимой температуры за отведенное время. Это можно сделать, используя теплосодержание материала, которое обычно выражается в кВт-часах на тонну, вес обрабатываемого металла и временной цикл. [6] Как только это будет установлено, необходимо учитывать другие факторы, такие как потери, излучаемые компонентом, потери в катушках и другие потери в системе. Традиционно этот процесс включал длительные и сложные расчеты в сочетании с сочетанием практического опыта и эмпирических формул. Современные методы используют анализ методом конечных элементов и другие компьютерные методы производства, однако, как и в случае со всеми такими методами, по-прежнему требуются глубокие практические знания процесса индукционного нагрева. При принятии решения о правильном подходе часто необходимо учитывать общий размер и теплопроводность заготовки, а также характеристики ее расширения, чтобы обеспечить достаточное время выдержки для создания равномерного нагрева по всей детали.
Поскольку термоусадочная посадка требует равномерного нагрева расширяемого компонента, при нагреве для термоусадочной посадки лучше всего стараться использовать самую низкую практическую частоту. Опять же исключением из этого правила может быть снятие деталей с валов.
Существует огромное количество отраслей и применений, в которых выгодна индукционная термоусадочная установка или демонтаж с использованием твердотельных ВЧ- и СЧ-нагревателей. На практике используемая методология может варьироваться от простого ручного подхода, когда оператор собирает или разбирает детали, до полностью автоматических пневматических и гидравлических прессов . [7]
Преимущества:
Основным недостатком этого процесса является то, что он обычно ограничивается компонентами, имеющими цилиндрическую форму. [4]