ИНДУКТОР ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА (ВАРИАНТЫ)

ИВДУКТОР ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА /ВАБ1АНТЫ/
Полезная модель относится к термической обработке металлов при помощи концентрированных источников энергии преимущественно с интенсивным естественным охлаждением и может быть использована, в частности, для локальной закалки железоуглеродистых сталей.
Известны электронагревательные элементы, снабженные прорезями на пути прохождения тока / Электротермия №45, 1965, с.75-77/.
Известен также индуктор для высокочастотного нагрева изделий сложного профиля, содержащий водоохлаждаемый виток, снабженный поперечными прорезями, направленными навстречу друг другу на пути прохождения тока /а.с.СССР 630758, Н05В 5/18, 1976/.
Недостаток данных устройств заключается в том, что расположение прорезей обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемой детали, не влияя при этом на смещение максимальной плотности тока к поверхности нагреваемой детали и не образуя локальных участков нагрева.
Известен высокочастотный индуктор, содержащий водоохлаждаемый токопровод и охватывающий его магнитопровод, в котором, с целью смещения зоны максимальной плотности тока к поверхности обрабатываемой детали, по всей длине магнитопровода выполнена узкая прорезь, ограничивающая воздушный зазор между противоположными полюсными поверхностями магнитопровода. При прохождении тока высокой частоты воздушный зазор концентрирует магнитный поток и на поверхности нагреваемой детали возникают вихревые токи, вызывая локальный нагрев поверхностного слоя. Однако, с увеличением мощности индуктора расчетная толщина магнитопровода увеличивается что приводит к увеличению расстояния от поверхности нагреваемой детали до токопровода и, как результат, не обеспечивается высокая концентрация магнитного поля вблизи нагреваемой поверхности / патент США 4527032, Н05В 6/40, опубл.1985/.
Другая проблема заключается в тепдоотводе. Для эффективного охлаждения в одном из вариантов индуктора по патенту США 4527032 предлагается токопровод прямоугольного сечения, что позволяет иметь большую полость для охлаждения, расположенную внутри токопровода. Однако, такая конструкция приводит к увеличению площади токопровода со стороны рабочей поверхности индуктора, что препятствует концентрации магнитного поля на поверхности нагреваемой детали.
основу настоящей полезной модели поставлена задача создания такого индуктора, конструктивное решение которого обеспечило бы смещение зс зоны максимальной плотности тока как можно ближе к нагреваемой поверхности, создавая высокую плотность мощности и повышая кпд индуктора, а также высокоэффективный тешюотвод, исключающий перегрев токопровода.
Поставленная задача решается тем, что в индукторе, содержащем водоохлаждаемый токопровод с поперечными прорезями, прорези ориентированы своим основанием к рабочей поверхности токопровода. Благодаря такому расположению прорезей ток проходит преимущественноэпо части сечения токопровода, свободной от прорезей. Таким образом, зона максимальной плотности тока смещается в сторону рабочей поверхности токопровода, расположенной над обрабатываемой деталью. Расстояние между прорезями составляет от 0,3 до 3Ј, где-yb - наружный диаметр токопровода. При большем расстоянии между прорезями не обеспечивается высокая плотность мощности вблизи рабочей поверхности по длине токопровода. Глубину прорезей выбирают в зависимости от величины плотности тока на рабочей участке токопровода в пределах 5...200 А/мм.
Во втором варианте полезной модели в индукторе, содержащем водоохлаждаемый токопровод и охватывающий его магнитопровод, по всей длине которого выполнена узкая прорезь, токопровод снабжен радиальным выступом, входящим в прорезь магнитопровода. Выступ обеспечивает, независимо от толщины магнитопровода, минимальное расстояние от токопровода до поверхности нагреваемой детали и смещение зоны максимальной плотности тока в направлении детали.
В последующем полезная модель поясняется описанием примеров ее выполнения со ссылкой на чертежи.
Фиг.1 - общий вид индуктора по первому варианту полезной модели Фиг.2 - общий вид части токопровода по фиг.1
Фиг.З и 4 - разрез А-А на фиг.2 -варианты выполнения основания прорези в токопроводе
Фиг.5 - общий вид части токопровода по второму варианту полезной модели
Фиг.6 и 7 - разрез А-А на фиг.5 - варианты выполнения выступа в токопроводе
В соответствии с фиг.1-4 индуктор содержит водоохлаждаемый токопровод I замкнутого сечения, который через выходной трансформатор 2 подключен к высокочастотному генератору 3. В токопроводе I последовательно друг за другом расположены поперечные прорези 4, ориентированные своим основанием 5 к рабочей поверхности б токопровода I. Токопровод I покрыт сплошным слоем электроизоляционного материала за исключением рабочей поверхности б токоцровода I.
Индуктор работает следующим образом.
Индуктор устанавливают над нагреваемой поверхностью детали 8 на величину оптимального зазора между ними I...5 мм. Закрепив индуктор к щекам выходного трансформатора 2, подают воду для охлаждения. При включении высокочастотного генератора 3 на рабочей поверхности 6 токопровода I возникают вихревые токи, которые вызывают быстрый локальный нагрев поверхностного слоя детали 8. Диапазон частот тока составляет от 10 кГц до Z МГц. Поскольку на токопроводе I расположены поперечные прорези 4, ориентированные своим основанием 5 к рабочей поверхности 6 токопровода It ток проходит только по участку 7 сечения токопровода I., который наиболее приближен к нагреваемой поверхности детали 8. Таким образом, наличие поперечных прорезей 4 обеспечивает максимальное вы теснение тока в сторону нагреваемой детали 8, а промежутки между прорезями способствуют высокоэффективному охлаждению за счет увеличения поверхности охлаждения. Данный индуктор обеспечивает плотность мощности до 20 кВт/см
На фиг.5-7 изображен второй вариант выполнения полезной модели. Индуктор содержит токопровод 9 с полостью 10 для охлаждения. Снаружи токопровод 9 охватывается магнитопроводом II, в котором по всей длине i. выполнена узкая прорезь 12. Токопровод 9 имеет радиальный выступ 13, который входит в прорезь 12 магнитопровода II. Форма радиального выступа 13 может быть прямоугольной /фиг.5/, в виде клина /фиг.6/ и т.д. Форма в виде клина является предпочтительной. При этом прорезь 12 может повторять форму радиального выступа 13 или охватывать его, не повторяя форму выступа. Для достижения максимальной концентрации магнитного поля кромка 14 радиального выступа 13 выполнена заподлицо с наружной поверхностью 15 магнитопровода II. Полость для охлаждения 10 токопровода 9 расположена на некотором расстоянии от его рабочей зоны благодаря выступу, что позволяет увеличить размеры полости для улучшения охлаждения при минимальной ширине рабочей зоны токопровода. При этом выполнение выступа в форме клина позволяет улучшить охлаждение за счет более эффективной теплоотдачи к полости охлаждения от активной зоны. Для охлаждения магнитопровода он, в частности, может быть заключен в рубашку с циркулирующей охлаждающей жидкостью.
Работа данного индуктора аналогична работе индуктора, изображенного на фиг Л. При включении высокочастотного генератора на радиальном выступе 13 токопровода 9 возникают вихревые токи, которые вызывают быстрый локальный нагрев узкой полосы детали 16 под нижней кромкой 14 радиального выступа 13. Ширина закаленной зоны соответствует
г/ 7///ЛЈширине нижней кромки 14. Данный индуктор обеспечивает плотность мощ/ности до 40 кВт/смт
Во время работы индуктора концентрированный поток энергии выделяется непосредственно в подповерхностном слое нагреваемой детали Кратковременное воздействие импульса выделяемой энергии /до I с/ позволяет получить глубину упрочненного слоя до 3 мм. Отсутствие сплошного закаленного слоя предотвращает образование трещин и коробление нагреваемой поверхности, а также ее окисление благодаря кратковременному воздействию высоких температур, что позволяет отказаться от операции окончательной механической обработки закаленных деталей.
После прекращения нагрева скорость охлаждения за счет теплоотдачи в холодные зоны детали превышает скорость охлаждения в жидкой охлаждающей среде и достигает I04 К/с.
При использовании непрерывно - последовательного метода закалки индуктор позволяет получить глубину закаленного слоя до 1,5 мм.
Благодаря небольшому весу индуктора /до 1,5 кг/ и кратковременности импульсной термообработки возможно ручное позиционирование индуктора относительно деталей, в том числе крупногабаритных. В этом случае питание индуктора осуществляется с помощью гибкого водоохлаждаемого коаксиального кабеля. Таким образом, отпадает необходимость применения станков для позиционирования детали относительно индуктора.
Предлагаемые конструкции индуктора позволяют
-получить толщину закаленного слоя до 3 мм без использования охдаждавщей среды
-исключить коробление и окисление обрабатываемой поверхности -использовать ручное позиционирование индуктора относительно детали.
АвторЩь т М.Н.Максимов
ffw-ttl