Thiết kế cuộn dây cảm ứng

4.1. Mô hình thí nghiệm

4.1.2. Thiết kế cuộn dây cảm ứng

Theo lý thuyết về hiện tượng cảm ứng điện từ thì để gia nhiệt được bề mặt phẳng trên tấm thép thì cuộn dây phải được thiết kế dạng mặt phẳng đảm bảo các đường cảm ứng từ hướng vng góc với bề mặt tấm thép. Để thực hiện được điều này thì cuộn dây sẽ được thiết kế hình trịn và đặt song song với bề mặt tấm thép. Việc thiết kế cuộn dây được thực hiện và mô phỏng sao cho nhiệt độ trên bề mặt tấm thép đạt u cầu cho q trình tơi với thời gian gia nhiệt nhanh nhất.

Dựa trên các thông số kỹ thuật máy phát cao tần và đặc tính vật liệu thì để đạt được nhiệt độ cần thiết cần phải sử dụng ống đồng tiết diện 8 mm và số vịng u cầu là 3 vịng. Khi đó cuộn dây sẽ được thiết kế hình xoắn ốc 3 vịng.

Thơng số hình học cuộn dây hình xoắn ốc như sau: - Vật liệu: Đồng

- Tiết diện đường ống: Đường kính ngồi 8 mm, chiều dày ống 0.7 mm. - Số vòng: 03 vòng

- Đường kính vịng trong: 40 mm - Đường kính vịng ngồi: 110 mm

- u cầu các góc uốn khơng được gấp khúc. - Bán kính cung lượn: 15 – 20 mm

Hình 4.1: Mơ hình cuộn dây cảm ứng

4.1.3. Mơ hình mơ phỏng

Bố trí vị trí tương quan giữa phơi thép và cuộn dây như sau: - Mặt phẳng cuộn dây song song bề mặt tấm thép.

- Khoảng cách giữa cuộn dây và tấm thép: 3 mm.

Việc thiết lập mơ hình mơ phỏng Comsol được thực hiện qua các u cầu sau:

- Tạo khối khơng khí có kích thước 500 x 500 x 200 mm bao quanh mơ hình tấm thép và cuộn dây, đảm bảo phơi thép nằm hồn tồn bên trong khối khơng khí.

Hình 4.3: Thiết lập mơ hình cho q trình mơ phỏng nhiệt trên Comsol

- Lựa chọn và thiết lập đúng các thông số kỹ thuật vật liệu trong mơ hình mơ phỏng.

4.2. Kết quả mô phỏng

4.2.1. Trường hợp 1: Gia nhiệt tại một vị trí

Thơng số q trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Tần số: 20.000 Hz.

- Dòng điện: 350 A.

- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phôi: 3 mm. - Tốc độ: 0 mm/s.

Hình 4.4: Phân bố nhiệt độ bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số

20.000Hz, thời gian gia nhiệt 30 giây, cuộn dây đứng yên.

Hình 4.5: Phân bố mật độ từ thông bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số

Hình 4.6: Đồ thị gia nhiệt tại các điểm trên bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với

tần số 20.000Hz, thời gian gia nhiệt 30 giây, cuộn dây đứng yên. Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol:

- Nhiệt độ bề mặt lớn nhất: 905oC đạt được tại khu vực hình vành khăn được bao phủ bởi cuộn dây.

- Nhiệt độ tại vị trí tâm cuộn dây chỉ đạt khoảng 600oC.

- Nguyên nhân: Mật độ từ thơng tập trung tại khu vực hình vành khăn trên tấm thép tương ứng với hình dạng trên cuộn dây.

4.2.2. Trường hợp 2: Di chuyển cuộn dây dọc trục X

Thơng số q trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Tần số: 20.000 Hz.

- Dòng điện: 350 A.

- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phôi: 3 mm. - Tốc độ: 3 mm/s.

- Hướng di chuyển cuộn dây dọc trục X. - Thời gian: 60 giây.

Hình 4.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số

20.000Hz, thời gian gia nhiệt 60 giây, di chuyển dọc trục X. Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol:

- Nhiệt độ bề mặt lớn nhất: 902oC - Phạm vi gia nhiệt: 50 ± 5 mm

- Khảo sát nhiệt độ tại 10 điểm dọc theo phương di chuyển của cuộn dây (phương X). Kết quả cho thấy nhiệt độ tại khu vực giữa hành trình là lớn nhất và giảm dần theo phương X như đồ thị mơ phỏng.

Hình 4.8: Đồ thị gia nhiệt trên bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số

20.000Hz, thời gian gia nhiệt 60 giây, di chuyển dọc trục X.

4.2.3. Trường hợp 3: Di chuyển cuộn dây dọc trục Y

Thông số quá trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Tần số: 20.000 Hz.

- Dòng điện: 350 A.

- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phôi: 3 mm. - Tốc độ: 3 mm/s.

- Hướng di chuyển cuộn dây dọc trục Y. - Thời gian: 60 giây.

Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Nhiệt độ bề mặt lớn nhất: 902oC.

Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số

20.000Hz, thời gian gia nhiệt 60 giây, di chuyển dọc trục Y.

Hình 4.10: Đồ thị gia nhiệt trên bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số

4.3. Lựa chọn phương án gia nhiệt dựa trên kết quả mô phỏng

Nhận xét cho 03 trường hợp mô phỏng:

- Nhiệt độ lớn nhất đạt được trong cả ba trường hợp đáp ứng cho q trình tơi cảm ứng từ.

- Hướng di chuyển cuộn dây dọc trục X và Y đều đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Tuy nhiên nhiệt độ phân bố không đồng đều trên suốt hành trình vì để gia nhiệt một đoạn dài đòi hỏi thời gian lên đến 60 giây.

- Nhiệt độ tại khu vực cuối hành trình thấp hơn các vị trí ban đầu do thời gian gia nhiệt chưa đủ.

- Nếu gia nhiệt chỉ 01 vị trí thì nhiệt độ khơng đạt u cầu tại tâm cuộn dây nhưng bên trong khu vực hình vành khăn thì đạt nhiệt độ tơi. Do đó nếu gia nhiệt theo từng vị trí với khoảng dịch chuyển bằng đúng bán kính cuộn dây thì nhiệt độ đạt được sẽ đồng đều. Ngồi ra việc tơi theo từng điểm giúp kiểm sốt được q trình làm nguội linh hoạt tại mỗi vị trí.

 Phương án được chọn là gia nhiệt theo từng vị trí kết hợp tiến hành di chuyển cuộn dây dọc theo hai phương của chi tiết để đạt được nhiệt độ cho quá trình tơi trên tồn bộ bề mặt.

Chương 5

THÍ NGHIỆM TƠI CẢM ỨNG TỪ CỤC BỘ CNC CHO MẶT PHẲNG

5.1. Chuẩn bị mẫu thép

5.1.1. Vật liệu

Vật liệu sử dụng cho q trình thí nghiệm gồm hai loại là thép cacbon hàm lượng trung bình C45 và hàm lượng thấp SS400.

Để kết quả thí nghiệm chính xác thì mẫu thép phải được kiểm tra đảm bảo thành phần hóa học nằm trong phạm vi cho phép theo tiêu chuẩn được cho ở bảng 3.1 và 3.4. Ngồi ra việc thử nghiệm cịn làm cơ sở lý thuyết để so sánh cơ tính của thép trước khi tơi và độ cứng đạt được sau q trình tơi cảm ứng.

Việc xác định thành phần hóa học bằng phương pháp phân tích quang phổ được thực hiện tại Phịng thí nghiệm kim loại và hợp kim, Khoa cơng nghệ Vật liệu Đại Học Bách Khoa Tp.HCM.

Hình 5.1: Xác định thành phần hóa học bằng phương pháp phân tích quang phổ

Bảng 5.1: Thành phần hóa học mẫu thép C45 sau khi phân tích quang phổ Thành phần hóa Thành phần hóa học (Theo tỷ lệ %) C Si Mn P S Cr Mo Ni Al 0,460 0,216 0,420 0,012 0,014 0,390 0,013 0,016 0,041 Co Cu Nb Ti V W Pb Sn Mg 0,002 0,030 <0,003 0,002 0,201 <0,001 <0,004 0,004 <0,000 As Zr Ca Ce Ta B Zn La Fe <0,003 0,004 0,001 <0,003 <0,008 0,005 0,005 0,002 <98,14 Nhận xét: Thành phần hóa học mẫu thép sau khi phân tích quang phổ nằm trong giới hạn cho phép của thép C45.

Bảng 5.2: Thành phần hóa học mẫu thép SS400 sau khi phân tích quang phổ

Thành phần hóa học (Theo tỷ lệ %) C Si Mn P S Cr Mo Ni Al 0,270 0,310 0,560 0,025 0,030 0,160 0,010 0,014 0,023 Co Cu Nb Ti V W Pb Sn Mg 0,003 0,040 0,002 <0,003 0,100 0,002 0,005 0,003 0,000 As Zr Ca Ce Ta B Zn La Fe 0,003 0,002 <0,004 0,002 0,005 0,006 <0,008 0,004 <98,40 Nhận xét: Thành phần hóa học mẫu thép sau khi phân tích quang phổ nằm trong giới hạn cho phép của thép SS400.

5.1.2. Kích thước mẫu thép

Kích thước các mẫu thép sử dụng trong thí nghiệm được cho ở bảng sau:

Bảng 5.3: Bảng kích thước các mẫu thép thí nghiệm

5.1.3. Chuẩn bị mẫu thép

Mẫu thép thí nghiệm được cắt mẫu từ các tấm thép ban đầu có kích thước: dài x rộng x dày = 12000 x 1800 x 8 mm và 12000 x 1800 x 10 mm và đã được đảm bảo đúng chủng loại từ nhà cung cấp.

Hình 5.2: Mẫu thép thí nghiệm STT VẬT LIỆU STT VẬT LIỆU CHIỀU DÀI (mm) CHIỀU RỘNG (mm) BỀ DÀY (mm) GHI CHÚ 1 C45 150 150 10 Tơi 01 vị trí 2 C45 200 170 8 Tôi 01 đường liên tục 3 C45 200 200 10 Tơi 01 đường 03 vị trí 4 SS400 200 170 8 Tôi 01 đường 03 vị trí 5 SS400 280 170 8 Tôi 03 đường 09 vị trí 6 SS400 280 170 8 Tơi 03 đường 09 vị trí

Phương pháp gia công mẫu thép như sau:

- Tấm thép được cắt bằng ngọn lửa Acetylen + Oxy với kích lượng dư mỗi bên khoảng 10 mm.

- Các cạnh bên sẽ được gia cơng đúng kích thước bằng các nguyên công cưa, phay nhằm loại bỏ ảnh hưởng nhiệt lên mẫu thép.

- Bề mặt mẫu sẽ được mài để đạt độ nhám khoảng 6.3 μm đảm bảo quá trình đo độ cứng dễ dàng

Để có cơ sở so sánh độ cứng đạt được sau khi tôi so với phôi thép ban đầu, ta tiến hành đo độ cứng mẫu thép trước khi tơi. Vì độ cứng thép trước khi tơi nhỏ (dưới 20 HRC) nên thang đo HRB được sử dụng sẽ cho kết quả tốt hơn. Kết quả ta được:

Hình 5.3: Giá trị độ cứng HRB đo được trên mẫu số 1 trước khi tôi

Giá trị độ cứng phôi thép C45 trước khi tôi đạt khoảng 72,2 HRB (nhỏ hơn 20 HRC), giá trị này đúng với tính chất cơ học của thép C45 khi chưa tôi và

nhỏ hơn rất nhiều so với độ cứng đạt được sau khi tôi.

5.2. Thiết bị tôi cao tần

Máy phát cao tần được sử dụng cho q trình tơi cảm ứng có các thơng số kỹ thuật như sau:

- Công suất: 35 kW. - Tần số: 30 - 20.000 Hz. - Dòng điện: 200 - 450 A.

- Điện áp làm việc: 3 pha/380V/50Hz. - Dãy điện áp sử dụng: 180 - 245 V.

- Lưu lượng nước làm mát cuộn dây: 30 lít/phút.

5.3. Thơng số tơi cảm ứng từ

Thông số tôi cảm ứng từ thực nghiệm được thực hiện tương tự như kết quả q trình mơ phỏng COMSOL như sau:

- Tần số: 20.000 Hz. - Dòng điện: 350 A.

- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phơi: 3 mm. - Tơi từng vị trí trên mẫu thép.

- Hướng di chuyển cuộn dây đến các vị trí khác nhau dọc theo các trục của máy tôi CNC 3 trục.

- Thời gian gia nhiệt tại một vị trí: 30 giây. - Điện áp làm việc: 3 pha/380V/50Hz. - Nhiệt độ yêu cầu: 850 - 950oC. - Tốc độ làm nguội: 200 - 250oC/giây. - Lưu lượng nước làm nguội: 100 lít/phút.

Dựa trên tần số máy phát cao tần sử dụng thì chiều sâu lớp thấm tơi được xác định theo cơng thức sau:

δ=5030

Trong đó:

- là điện trở suất của thép cacbon: = 102×10-6 (Ω.cm) - là độ từ thẩm tương đối: μr=1 (900o

C)

- f là tần số tôi cao tần: f = 20000 Hz

Kết quả ta xác định được chiều sâu lớp thấm tôi theo lý thuyết như sau:

δ=5030

× =5030×

102×10-6

1×20000=0,35 (cm)=3,5 (mm)

Chiều sâu lớp thấm tơi sẽ được kiểm tra trong q trình thực nghiệm đo độ cứng và thành phần kim tương.

5.4. Quy trình tơi cảm ứng từ

Quy trình tơi cảm ứng từ được thực hiện như sau: 1. Chuẩn bị máy

- Khởi động máy tôi CNC.

Hình 5.4: Khởi động chương trình điều khiển máy tơi CNC

- Cài đặt thông số máy phát cao tần theo đúng yêu cầu kỹ thuật cho q trình tơi cảm ứng ở trên.

- Bật bơm nước làm mát cuộn dây cảm ứng và bơm nước phục vụ cho quá trình làm nguội mẫu thép sau khi gia nhiệt.

2. Gá đặt mẫu thép lên máy tơi CNC

Hình 5.5: Gá đặt mẫu thép trên máy tôi CNC

- Kiểm tra độ cứng vững và đảm bảo hành trình làm việc của máy có thể di chuyển để tiến hành tơi trên tồn bộ bề mặt mẫu thép.

3. Cài đặt gốc tọa độ

- Chạy rà máy CNC theo ba trục X, Y, Z theo chế độ chạy tay và ghi nhận các tọa độ tại vị trí bề mặt mẫu thép cách cuộn dây 3 mm.

Hình 5.6: Chạy rà xác định tọa độ bề mặt mẫu thép

- Sau khi có tọa độ bề mặt mẫu thép, ta đóng chế độ điều khiển tay và nhấn GOTO ZERO để 3 trục chạy về gốc tọa độ chuẩn của máy.

4. Lập trình cho q trình tơi cảm ứng từ CNC

- Lập trình cho q trình tơi trên máy CNC bằng cách nhấn nút Edit G - Code để nhập mã lệnh NC.

- Sử dụng các giá trị tọa độ bề mặt phôi đã được xác định ở chế độ chạy tay trên cho quá trình lập trình.

Hình 5.7: Sử dụng lệnh Edit G - Code

- Tiến hành nhập các mã lệnh chương trình và lưu lại.

- Nhấn Load G- Code để tải chương trình vừa tạo vào bộ nhớ máy. - Kiểm tra lại các mã lệnh chương trình đúng theo yêu cầu di chuyển khi tôi cục bộ cho từng trường hợp.

Hình 5.8: Nhập chương trình cho máy tơi CNC

5. Tôi cảm ứng từ CNC

- Nhấn Cycle Start để khởi động máy bắt đầu q trình tơi. - Kiểm tra nhiệt độ bề mặt mẫu thép bằng súng hồng ngoại.

- Sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt thì ngắt dịng trên máy phát cao tần và tiến hành phun nước làm nguội nhanh bề mặt mẫu thép kết hợp thổi khí làm sạch cuộn dây chuẩn bị cho tơi cảm ứng từ vị trí tiếp theo.

6. Lưu ý:

- Khi tơi tại một vị trí thì chương trình chỉ cần điều khiển mẫu thép chạy nhanh về vị trí cách cuộn dây 3 mm.

- Khi tôi theo đường gồm 3 vị trí thì sau khi tơi điểm thứ nhất, mẫu thép sẽ được di chuyển theo trục Z của máy (tương ứng trục X hoặc Y của mẫu) một đoạn 45 mm để tiến hành tơi tại vị trí tiếp theo.

5.5. Kết quả tôi cảm ứng từ các mẫu thép

5.5.1. Mẫu số 1: Thép C45 kích thước 150 x 150 x 10 mm

5.5.1.1. Thơng số q trình tơi cảm ứng

- Đặc điểm: Tơi tại một vị trí trên mẫu thép. - Tổng thời gian gia nhiệt: 30 giây.

- Nhiệt độ lớn nhất đạt được: 905,8oC. - Tốc độ làm nguội: 200 - 250oC/giây.

Hình 5.9: Quá trình gia nhiệt mẫu số 1

Quá trình gia nhiệt được kiểm tra bằng dụng cụ đo nhiệt độ hồng ngoại từ xa. Thông số máy đo hồng ngoại như sau:

- Phạm vi đo: -50oC đến 1100oC. - Độ chính xác ± 2oC.

- Độ phân giải 0,1oC. - Lựa chọn oC hoặc oF. - Có 2 tia Laser định vị.

Hình 5.10: Đo nhiệt độ bề mặt mẫu số 1 trong q trình tơi

Nhận xét: Nhiệt độ trên bề mặt mẫu thép tại khu vực bên trong cuộn dây (phạm vi đường kính 25 - 30 mm tính từ tâm cuộn dây) chỉ đạt từ 500oC đến 600oC thấp hơn so với nhiệt độ u cầu cho q trình tơi.