Đồ án thiết bị tôi cao tần

Sự phát triển của tất cả các nghành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện kim, công nghiệp hóa học, xây dựng, kỹ thuật điện, giao thông vận tải, kỹ thuật hàng không... Và đời sống thường ngày đều gắn chặt với công nghệ nhiệt luyện. Công nghệ nhiệt luyện là quá trình nung, giữ nhiệt, và làm nguội, nhằm làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thau đổi hình dáng và kích thước của chi tiết. Trong cơ khí nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết như độ cứng, độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn v.v... mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì vậy có thể nói nhiệt luyện là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí. Với các tính năng như vậy, công nghệ nhiệt luyện trở nên rất cần thiết cho nhiều lĩnh vực của đời sống. Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm ,có ý nghĩa kinh tế rất lớn và là thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kỹ thuật của mỗi quốc gia. Trong khuôn khổ em được giao là: “ Nghiên cứu và tìm hiểu về thiết bị tôi cao tần’’. Với sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Lê Thượng Hiền. Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của thầy đề em hoàn thành tốt đồ án này. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên chắc chắn bài làm sẽ có phần thiếu sót, em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn.

PHỤ LỤC

Trang

PHỤ LỤC……….1

ĐỀ TÀI ……… 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ……… 3

LỜI NÓI ĐẦU ……….4

TÔI VÀ THIẾT BỊ TÔI CAO TẦN……… ………5

I TÔI BỀ MẶT THÉP……… ……….………5

1 Định nghĩa và mục đích…… ……… 5

2 Chọn nhiệt độ tôi thép…… ……….14

3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi….……….14

4 Tôi trong các môi trường ………17

II THIẾT BỊ TÔI CAO TẦN………20

1 Tìm hiểu về tôi cao tần……… ………20

2 Các thiết bị tôi cao tần……… 23

3 Quá trình tôi một chi tiết……… 30

4 Một số lò tôi cao tần phổ biến hiện nay………35

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……… 39

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của tất cả các nghành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện kim, côngnghiệp hóa học, xây dựng, kỹ thuật điện, giao thông vận tải, kỹ thuật hàng không

Và đời sống thường ngày đều gắn chặt với công nghệ nhiệt luyện

Công nghệ nhiệt luyện là quá trình nung, giữ nhiệt, và làm nguội, nhằm làm thayđổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúcbên trong mà không làm thau đổi hình dáng và kích thước của chi tiết

Trong cơ khí nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chitiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết như độ cứng, độ bền, độ dẻo dai,khả năng chống mài mòn v.v mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu Vìvậy có thể nói nhiệt luyện là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyếtđịnh chất lượng của sản phẩm cơ khí

Với các tính năng như vậy, công nghệ nhiệt luyện trở nên rất cần thiết cho nhiềulĩnh vực của đời sống Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm ,có ý nghĩa kinh

tế rất lớn và là thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kỹ thuật của mỗi

quốc gia Trong khuôn khổ em được giao là: “ Nghiên cứu và tìm hiểu về thiết bị tôi cao tần’’ Với sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Thượng Hiền Em rất mong

được sự chỉ bảo tận tình của thầy đề em hoàn thành tốt đồ án này

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên chắc chắn bài làm sẽ có phần thiếu sót, emmong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn

Xin chân thành cám ơn!

SVTH: Bùi Văn Hiền

TÔI VÀ THIẾT BỊ TÔI CAO TẦN

I TÔI BỀ MẶT THÉP

1 Định nghĩa và mục đích

a Định nghĩa

Tôi là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép lên quá nhiệt độ tôi tới hạn

AC1 hoặc AC3 tùy thuộc vào loại thép để làm xuất hiện austenit, giữ nhiệt rồi làmnguội nhanh thích hợp để austenit chuyển hóa thành mactenxit hay các tổ chứckhông ổn định khác có độ cứng cao

Hình 1.1.1- Nhiệt luyện thép

Hình 1.1.2- kim loại khi tôi

Các đặc trưng của tôi là:

- Nhiệt độ tôi thấp nhất của các loại thép cũng phải cao hơn AC1, tức là phải nungđến trạng thái austenite

- Làm nguội nhanh, do đó không những có ứng suấttổ chức mà ứng suấtnhiệt cũng rấtlớn, điều này dễ dẫn đến nứt, cong, vênh sản phẩm nên phải thận trọng khi làmnguội

- Các tổ chức tạo thành khi tôi đều có độ cứng cao

Các giai đoạn chuyển hóa Austenit thành Mactenxit:

Trạng thái ban đầu khi xuất hiện Austenit

b Mục đích:

1) Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép, do ó kéo dài được thời hạnlàm việc của các chi tiết chịu mài mòn

Hình 1.1.3- Một số sản phẩm khi tôi

2) Nâng cao độ bền, do đó nâng cao được khả năng chịu tải của chi tiết máy.

Hình 1.1.4- Các chi tiết máy sau khi tôi

Nguyên công tôi thép chiếm vị trí đặc biệt quan trọng trong nhiệt luyện thép vì các

lý do sau đây:

- Cùng có ram, nó quyết định cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc, do

đó quyết định tuổi thọ của chi tiết máy

- Là một trong những nguyên công gia công cuối cùng, khi chi tiết đã ở dạngthành phẩm, vì thế hư hỏng ở khâu này sẽ gây ra lãng phí công sức của các khâugia công trước

- Rất dễ gây nứt, cong, vênh, trong quá trình gia công

Dưới đây là một số hình ảnh khi tôi:

Hình 1.1.5- Tôi bánh răng

Hình 1.1.6- Tôi đĩa răng

Hình 1.1.7- Tôi thép Φ28

Hình 1.1.8- Tôi trục kích thước lớn

2 Chọn nhiệt độ tôi thép

a Đối với thép trước cùng tích và cùng tích (≤0.8%C):

Nhiệt độ lấy cao hươn AC1, tức là nung thép đến trạng thái hoàn toàn austenite.Cách tôi này gọi là tôi hoàn toàn

to

tôi = AC3 + (30 – 50oC) Tổ chức đạt được là M + Adư.

b Đối với thép sau cùng tích (>0.8%): Nhiệt độ lấy cao hơn AC1 nhưng thấp hơn

AC3, tức là nung tới trạng thái không hoàn toàn là austenite: A + XeII Gọi là tôikhông hoàn toàn

3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

a Tốc độ tôi tới hạn: Tốc độ tôi tới là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để austenite

chuyển biến thành mactenxit Tính giá trị gần đúng của nó theo công thức:

Vth = A 1−t m o

Ʈ m

Trong đó

A1- Nhiệt độ tới hạn dưới của thép, oC

- t m o ;Ʈ m :Nhiệt độ và thời gian ứng với austenite quá nguôi kém ổn định nhấtTốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi cứng, vì lúc đó chỉ cần môi trườngnguội chậm cũng đủ để đạt độ cứng

b Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tới hạn

Mọi yếu tố làm tăng hay giảm tính ổn định của austenit quá nguội (Aqn) đều làmtăng hay giảm Vth:

- Thành phần hợp kim của austenite: Austenit càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ

Co), đường C càng dịch chuyển sang phải, Vth càng nhỏ

- Sự đồng nhất của Austenit: Austenit có thành phần C càng đồng nhất thì càng dễchuyển biến thành Mactenxit Khi austenit có thành phần C phân bố không đều thì

- Là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức Mactenxit.

Tốc độ nguội nhanh độ thấm tôi tăng đường phân bố tốc đọ nguội nông hơn

Hình 1.3.1- Sơ đồ giải thích độ thấm tôi

Tôi đầu mút:

Hình 1.3.2- Tôi đầu mút

Thép 3160: C trung bình (0,6%C)

4 Tôi trong các môi trường

a Yêu cầu với môi trường tôi:

 Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức Mactenxit

 Chi tiết không bị cong, vênh, nứt

b Đường cong nguội lý tưởng:

 Giai đoạn làm nguội nhanh qua vùng 500 - 600 oC (AS kém ổn định nhất).ư

 Giai đoạn làm nguội chậm trong phần chuyển biến Mactenxit 200 – 300 o C

để tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết

c Các môi trường tôi thông dụng:

 Nước:

- Rẻ, an toàn, dễ kiếm

- Làm nguội nhanh ở cả 2 khoảng nhiệt độ

- Cứng cao, biến dạng lớn

- Nước nóng (>40o C) làm giảm tốc độ nguội

- Là môi trường tôi của thép C- không dung cho chi tiết có hình dạng phứctạp

 Dầu:

- Làm nguội chậm ở cả 2 khoảng nhiệt độ

- Dầu nóng và nguội khả năng tôi giống nhau (dung dầu nóng 60 – 800o C)

để tăng tính linh động

- Là môi trường tôi của thép HK và chi tiết có hình dạng phức tạp

 Các môi trường tôi khác:

- Môi trường tôi muối nóng chảy: Áp dụng cho thép HK tôi đẳng nhiệt

- Mụi trường tôi Polime

- Mụi trường tôi của lò chân không: Nito lỏng

Bảng 1- Tốc độ nguội tới hạn của một số môi trường tôi

 Tôi trong một môi trường:

Hình 1.3.4- Tôi trong hai môi trường

 Giai đoạn đầu: Nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (Nước, dungdịch muối…)

 Giai đoạn 2: Làm nguội trong môi trường yếu hơn (Dầu ) →Giảm đượcmức độ BD của chi tiết

Nhược điểm: Khó xác định được thời điểm chuyển môi trường

 Tôi phân cấp (a)

 Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao

 Nhúng vào môi trường T > Mđ 50 – 100o C→ giữ nhiệt→ nguội trong khôngkhí

 Tôi đẳng nhiệt (b)

→ Cần độ dai cao hơn, chống biến dạng và kgoong cần Ram→ tôi ra B

Tôi tự ram

Dùng cho các chi tiết cần tôi bộ phận Quá trình ram xảy ra tiếp sau quá trình tôi.

Hình 1.3.5- Tôi tự ram

 Gia công lạnh

→ Khử bỏ AS dư sau tôi ở một số thép HK có điểm Mf quá thấp

→ Làm lạnh : -50- (-70o C) → Độ cứng có thể tăng 1- 10 HRC

II CÁC THIẾT BỊ TÔI CAO TẦN

1 Tìm hiểu về tôi cao tần

a) Nguyên lý chung

- Tôi cao tần là một trong những phương pháp nhiêt luyện làm thay đổi tổchức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phương hướng đãchọn trước

- Tôi cao tần dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, dùng sức nóng của dòngđiện tạo ra trên bề mặt chi tiết khi chi tiết đặt trong 1 từ trường biến thiên

Hình 2.1.1- Cảm ứng điện từ

Chiều sâu lớp bề mặt có dòng điện chạy qua ∆ tỉ lệ nghịch với tần số f của nó theocông thức:

∆= √µ f ρ Trong đó:

∆-Chiều sâu lớp bề mặt có mật độ dòng cứng cao, cm

ρ - Điện trở suất của kim loại nung, Ώ.cm

µ- Độ từ thẩm của kim loại nung, m/A

f- Tần số của dòng điện, Hz

b) Chọn tần số và thiết bị

- Tần số dòng điện quyết định chiều dày lớp nung nóng do đó quyết địnhchiều sâu lớp tôi cứng;

- Thường chọn chiều sâu lớp tôi cứng bằng 20% diện tích;

- Chiều dày lớp tôi cứng tương ứng với thiết bị có tần số và công suất nhưsau:

∆ = 4÷ 5mm cần f = 2500 ÷ 8000Hz, P> 100Kw;

∆ = 1÷ 2mm cần f = 66000 ÷ 250000Hz, P = 50 ÷ 100Kw;

c) Các phương pháp tôi

- Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt, áp dụng cho các bề mặt tôi nhỏ;

- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự, từng phần riêng biệt áp dụng khi tôi bánhrăng, trục khuỷu;

- Nung nóng rồi làm nguội liên tục liên tiếp, áp dụng đối với các chi tiết dài

d) Tổ chức và tính chất của thép sau khi tôi cao tần

+ Lõi dẻo dai khoảng 20 ÷ 30HRC;

+ Lớp bề mặt chịu ứng suất nén dư có thể tới 800N/mm2

→Do đó chi tiểt sau khi tôi có những đặc điểm sau:

+ Vừa chịu được ma sát, mài mòn vừa chịu tải trọng tĩnh và va đập cao,rất thích hợp với bánh răng trục truyền, chốt trục khuỷu,…

+ Chịu mỏi cao;

+ Chịu uốn, xoắn tốt

e) Ưu, nhược điểm

 Ưu điểm:

- Năng suất cao do thời gian nóng ngắn;

- Chất lượng tốt: Tránh được các khuyết tật như Oxy hoá, thoát cacbon, độbiến dạng thấp;

tiết mà bề mặt không quá phức tạp Chi tiết sau tôi cao tần vừa chịu được masát, mài mòn vừa chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, rất thích hợp với bánh răngtrục truyền, chốt ,trục khuỷu, Ngoài ra, chi tiết còn chịu mỏi cao, chịu uốn,xoắn tốt

 Nhược điểm

- Khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi độtngột;

- Khi sản xuất đơn chiếc loạt nhỏ, tính kinh tế thấp

2 Các thiết bị tôi cao tần

- Về công nghệ: Bộ nguồn, bộ điều áp xoay chiều 3 pha, biến áp cao áp, chỉnh lưu cao áp, biến tần, cuộn cảm, cuộn dây làm việc…

Dưới đây là một số hình ảnh:

Hình 2.2.1 Từ trường xuất hiện trong cuộn dây làm việc

Hình 2.2.2- Biến tần

lắp nguồn IGBT giúp tiết kiệm năng lượng Hệ thống giám sát năng lượng, đonhiệt bằng hồng ngoại và hệ thống làm lạnh có thể đảm bảo chất lượng của từngsản phẩm, khi các bánh răng được chế tạo với số lượng lớn Ngoài ra, đường kínhcủa bánh răng có thể nằm trong khoảng ¢ 50mm-¢ 500mm, và độ dày có thể trongkhoảng 10mm-50mm

Hình 2.2.3- Thiết bị tôi luyện bánh răng

Thành phần cấu tạo và các thông số của thiết bị tôi luyện bánh răng

a Nguồn cao tần XG-200KW

Model Công suất Tần số Dòng điện vào tối đa Điện áp vào Biến áp

XG-200 Cao 200KW 15-30KHz 300A Three-phase Tôi luyện

tần 380-420V chuyên dụng

b Thiết bị tôi luyện bánh răng ZSY-1000P CNC

Đường kính quay tối đa: 1000mm

Trọng lượng phôi gia công để tôi tối đa: 300kg

Tốc độ chuyển động của phôi: 1.5-30mm/s

Mức tin cậy của tốc độ chuyển động của phôi: 2%

Tốc độ điều hướng lại của phôi gia công: 0~6m/min

c Hệ thống làm lạnh khép kín LBL-04 để làm lạnh nguồn và chất lỏng tôi

Năng suất làm lạnh: 110000 Kcal/h

Lưu lượng làm việc: 12-23 m3/h

Lưu lượng quạt: 26400 m3/h

Đường kính ống nước: 67mm

Sức chứa bề nước tuần hoàn: 400L

kích thước: 2050×1010×2100 mm

Trọng lượng: 1000kg

d Hệ thống đo nhiệt bằng hồng ngoại

Thiết bị tôi luyện bánh răng được trang bị hệ thống đo nhiệt bằng hồng ngoại.Nhiệt kế bức xạ hồng ngoại sử dụng nhiệt kế không tiếp xúc nối liền Nó là mộtcảm biến quang điện Cảm biến này của hệ thống có thể nhận ra sự bức xạ nhiệt.Cường độ bức xạ hồng ngoại thay đổi tùy theo nhiệt độ và tính chất vật liệu củatừng đối tượng Thông qua hệ thống, thiết bị có thể đo được nhiệt độ và điều khiểnnhiệt làm nóng bánh răng một cách chính xác, và tránh được sự bất ổn định củachất lượng sản phẩm gây ra bởi cặp nhiệt Do đó, sử dụng hệ thống đo nhiệt bằnghồng ngoại có thể mang lại sự bền vững và chất lượng cho sản phẩm

e Hệ thống giám sát năng lượng

Thiết bị tôi luyện bánh răng có một hệ thống giám sát năng lượng Hệ thống này ápdụng điều khiển chu trình đóng và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp,giúp đảm bảo tính nhất quán năng lượng của từng phôi gia công và chất lượng củatừng sản phẩm Đầu tiên, hệ thống sẽ đo đếm, hiển thị và ghi lại điện áp hoạt động

và dòng điện của thiết bị bằng máy vi tính Sau đó, điện áp hoạt động và dòng điện

sẽ đí vào máy tính sau quá trình chuyển đổi và truyền dẫn quang học Tiếp đó, máytính sẽ bắt đầu tính toán

Công suất tức thời= Điện áp tức thời × dòng điện tức thời

Năng lượng tức thời= Công suất tức thời × thời gian gia nhiệt

W (t) = ∫ P (t) dt

P là giá trị tích phân của thời gian từ 0 đến t Bạn có thể đặt giá trị cao nhất và thấpnhất của P dựa theo các đòi hỏi gia công phôi, và giới hạn trên dưới của P cho giátrị tích phân của năng lượng Khi sản phẩm được sản xuất với số lượng lớn, hệ

3 Quá trình tôi một chi tiết được diễn ra như sau:

4 Một số lò tôi cao tần phổ biến hiện nay

Hinh 4.2.1- Lò tôi cao tần 15 Kw (SP-25/25A/25B/25AB)

Hình 4.2.2- Lò tôi cao tần GY-60AB (60KW)

Hình 4.2.3- Lò tôi cao tần (SP-35B/35AB)

Hình 4.2.4- Lò tôi cao tần với tần số cực cao (SPG – 30)

Hình 4.2.5- Lò tôi cao tần (SP-25BD/25ABD)

Hình 4.2.7- Lò nung - tôi cao tần XG 18A/ /XG 40B

Hình 4.2.8- Các lò tôi cao tần dung cho các nhà máy công nghiệp

Tài liệu tham khảo:

1.Giáo trình kỹ thuật nhiệt, TS Trần Văn Lịch, Nhà Xuất Bản Khoa Học KỹThuật, 2007

2 Giáo trình kim loại thiết bị nhiệt, KS Nguyễn Việt Trường, NXB Giao Thông

Vân Tải, 2006