Индукционная термоусадочная посадка относится к использованию технологии индукционного нагрева для предварительного нагрева металлических компонентов от 150 °C (302 °F) до 300 °C (572 °F), тем самым заставляя их расширяться и позволяя 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 . Процесс позволяет избежать изменения механических свойств, при этом позволяя обрабатывать компоненты. Металлы обычно расширяются в ответ на нагревание и сжимаются при охлаждении; эта размерная реакция на изменение температуры выражается как коэффициент теплового расширения . [2]
Индукционный нагрев — это бесконтактный процесс нагрева, который использует принцип индукции электромагнетизма для получения тепла в заготовке. В этом случае тепловое расширение используется в механическом применении для установки деталей друг на друга, например, втулку можно установить на вал, сделав ее внутренний диаметр немного меньше диаметра вала, затем нагрев ее до тех пор, пока она не наденется на вал, и дав ей остыть после того, как она будет надета на вал, таким образом достигая «горячей посадки». 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 горячей посадки делятся на две большие категории:
Часто называемый нагревателем подшипников, блок сетевой частоты использует стандартные принципы трансформатора для своей работы. Внутренняя обмотка намотана вокруг ламинированного сердечника, похожего на стандартный сетевой трансформатор. Затем сердечник пропускается через заготовку, и когда первичная катушка находится под напряжением, вокруг сердечника создается магнитный поток . Заготовка действует как короткозамкнутая вторичная обмотка созданного трансформатора, и из-за законов индукции ток течет в заготовке и генерируется тепло. Сердечник обычно шарнирно или зажимается каким-либо образом, чтобы обеспечить загрузку или выгрузку, что обычно является ручной операцией. Чтобы покрыть изменения в диаметре детали, большинство блоков будут иметь запасные сердечники, которые помогают оптимизировать производительность. После того, как деталь нагрета до нужной температуры, сборка может осуществляться либо вручную, либо в соответствующем зажимном приспособлении или прессе машины . [4]
Нагреватели подшипников обычно имеют мощность от 1 кВА до 25 кВА и используются для нагрева деталей весом от 1 до 650 кг (от 2,2 до 1433,0 фунтов) в зависимости от области применения. Требуемая мощность зависит от веса, целевой температуры и времени цикла, чтобы облегчить выбор, многие производители публикуют графики и диаграммы.
Из-за необходимости вставки сердечника, а также из-за того, что для обеспечения эффективности сердечник должен располагаться относительно близко к отверстию нагреваемой детали, существует множество случаев применения, в которых описанный выше подход с использованием нагревателя подшипника нецелесообразен.
В тех случаях, когда эксплуатационные сложности исключают использование подхода с использованием частоты сети с сердечником, можно использовать стандартный индукционный нагреватель RF или MF. Этот тип устройства использует 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 усаживать детали, но и снимать их.
Мощность ВЧ- и СЧ-нагревателей, используемых для индукционной термоусадки, варьируется от нескольких киловатт до многих мегаватт , а в зависимости от геометрии/диаметра/поперечного сечения компонента их частота может варьироваться от 1 кГц до 200 кГц, хотя в большинстве случаев используется диапазон от 1 кГц до 100 кГц. [5]
В общем, лучше всего использовать самую низкую практическую частоту и низкую плотность мощности при выполнении термоусадки, поскольку это, как правило, обеспечивает более равномерное распределение тепла. Исключением из этого правила является использование тепла для снятия деталей с валов. В этих случаях часто лучше всего подвергать компонент ударному воздействию быстрого тепла, это также имеет преимущество сокращения временного цикла и предотвращения накопления тепла в валу, что может привести к проблемам с расширением обеих деталей.
Чтобы выбрать правильную мощность, необходимо сначала рассчитать тепловую энергию, необходимую для нагрева материала до требуемой температуры за отведенное время. Это можно сделать, используя теплосодержание материала, которое обычно выражается в кВт·ч на тонну, вес обрабатываемого металла и временной цикл. [6] После того, как это установлено, необходимо учесть другие факторы, такие как потери на излучение от компонента, потери в катушке и другие системные потери. Традиционно этот процесс включал длительные и сложные расчеты в сочетании с практическим опытом и эмпирической формулой. Современные методы используют анализ конечных элементов и другие методы автоматизированного производства , однако, как и во всех таких методах, по-прежнему требуются глубокие практические знания процесса индукционного нагрева. При выборе правильного подхода часто необходимо учитывать общий размер и теплопроводность заготовки и ее характеристики расширения, чтобы гарантировать, что достаточно времени выдержки для создания равномерного тепла по всему компоненту.
Поскольку горячая посадка требует равномерного нагрева расширяемого компонента, лучше всего попытаться использовать самую низкую практическую частоту при приближении нагрева для горячей посадки. Опять же, исключением из этого правила может быть снятие деталей с валов.
Существует огромное количество отраслей и приложений, которые извлекают выгоду из индукционной усадки или удаления с использованием твердотельных ВЧ и СЧ нагревателей. На практике применяемая методология может варьироваться от простого ручного подхода, когда оператор собирает или разбирает детали, до полностью автоматических пневматических и гидравлических прессовых установок. [7]
Преимущества:
Основным недостатком этого процесса является то, что он, как правило, ограничен компонентами, имеющими цилиндрическую форму. [4]