Manyetik indüksiyon ile ısıtma olgusunun sonlu eleman metoduyla incelenmesi
Investigation of magnetic induction heating using finite element method
Yazar: ÖNDER SÖNMEZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ KAYA
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Dişliler = Gears ; Doğrulama = Verification ; Islah çeliği = Heat treated steel ; Sayısal modelleme = Numerical modelling ; Sertlik = Hardness ; İndüksiyon = Induction

Özet:
Dişli çarkların indüksiyon yüzey ısıtma teknolojisi, 1926-1939 yılları arasında ABD ve Rusya menşeili patent çalışmaları ile ortaya çıkmıştır. Manyetik indüksiyon ısıtma teknolojisi, endüstride kullanılan kritik elemanların ısıl işleminde -özellikle yüzey sertleştirme amacıyla- yaygınlıkla kullanılan bir uygulamadır. Yüzey sertleştirme için kullanılan mevcut yöntemlere göre en büyük üstünlüğü, çevre dostu olmasıdır. Aynı zamanda, tekrarlanabilir, otomasyona uygun, hızlı ve etkili bir yöntemdir.
Günümüzde, sayısal metotlar referans olabilecek niteliği kazanarak daha önemli hale gelmiştir; artık sayısal metotlar sayesinde farklı fiziksel olguları benzetim sürecine dâhil ederek sistem için önemli olan parametreleri eniyileme imkânı elde edilmiştir.
Deneysel metotlar pahalı ve zaman alıcıdır. Buna karşın, sayısal modelleme kullanarak bir dişli iş parçasının sonlu elemanlar yazılımı yardımıyla indüksiyon ile ısıtma benzetimi yapılarak sertlik profili görece daha ucuz ve daha kısa zamanda elde edilebilir. Bu sayede bilgisayar ortamında indüksiyon ile ısıtma süreci artarda eniyileme sürecinden geçirilip nihai model elde edilebilir. Deneysel olarak doğrulanmış bir sayısal modelden sonra bu model üzerinden eniyileme yapılır. Bu tez çalışmasında, ELTA yazılımı kullanılarak AISI 4340 çelik dişli iş parçasının indüksiyon ısıtma süreci incelenmiş ve literatürden bulunan bir çalışma ile iş parçası üzerindeki sertlik profili ve sıcaklık dağılımının karşılaştırılması yapılmıştır. İndüksiyon ile ısıtma sürecinde, bobin frekansının ve dişli iş parçası ile indüksiyon bobini arasındaki mesafenin değişiminin AISI 4340 çelik dişli iş parçasının sıcaklık dağılımındaki etkisi incelenmiştir. Çelik dişli iş parçasının üzerinde oluşan sıcaklıklarda martensit fazı oluşumuna sebep olan östenitlenme sıcaklığının (Ac3) dişlide hangi bölgelerde olduğu gözlenmiştir. Çelik dişli iş parçasının yorulma direnci ve aşınma direnci açısından martensit fazının dişlinin kök bölgesinde oluşabilmesi ve ne kadar derinlikte oluştuğu kritiktir. İndüksiyon ile ısıtma sürecinde kullanılan bobin frekansı ve iş parçası ile bobin arasındaki mesafenin, çalışmada kullanılan dişli iş parçasındaki sertleşebilme derinliğini etkilediği görülmüştür.
Bu çalışmada 4340 çelik dişli iş parçasının indüksiyon ile ısıtma işleminin analizinde ELTA 7.0 © yazılımı kullanılmış ve sonuçlarının güvenirliği diğer çalışmalarla karşılaştırılarak gösterilmiştir.

Abstract:
The technology of induction heating of gears emerged with the patent publications from the USA and the Soviet Union between the years 1926-1939. This technology is commonly used for surface hardening of critical pieces used in industry. This method of surface hardening has superiority over alternatives comes from its repeatability, eco-friendliness and being a practically rapid method. At the present time, numerical methods have gained as much importance as to become as a reference for the induction heating industry; now thanks to finite element methods, multiphysics simulation has been developed which enables us to optimize the parameters of the most important ones. Experimental methods are costly and time demanding. However, making use of finite element method software, induction heating simulations of a steel gear can be performed relatively cost effective and in a short time. In this way, the model can be optimized by sequential simulations and can be included into the manufacturing process. Experimentally validated and thus ensured models then be involved into the optimization process. In this study, using ELTA software, induction heating process of AISI 4340 steel gear workpiece is investigated and comparison of hardness profile and temperature profile is made with an academic publication found from literature. The effect of altering inductor frequency and gear workpiece-inductor coil distance on the temperature distribution of AISI 4340 steel gear workpiece during induction heating process is investigated. From the temperature distribution occurring on the steel gear workpiece, the regions of the gear at which the austenitizing temperature (Ac3) -responsible for martensite phase formation- has been observed.
In terms of fatigue resistance and wear resistance of the steel gear workpiece, it is critical that the martensite phase can form at the root zone of the gear and how deep it is. The coil frequency used in the induction heating process and the distance between the workpiece and the coil were found to affect the hardening depth in the gear that is used in the study.
In this study, ELTA 7.0 © software is used in the analysis of the induction heating process of the 4340-steel gear workpiece and the reliability of the results is shown in comparison with other studies in the literature.