a) Ngun lý nung nóng cảm ứng; b) Tơi nung nóng tồn bộ bề mặt; c) Tơi nung nóng và làm nguội liên tục
3.3.2.2. Chọn tần số và thiết bị
Khi cần lớp tôi dày (4 - 5 mm): thiết bị tần số 2500Hz hay 8000Hz, P = 100kW trở lên.
Lớp tôi mỏng (1 - 2 mm), thiết bị tần số cao (66000Hz hay 250000Hz), P = 30 - 100kW.
3.3.2.3. Các phương pháp tơi
Vịng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao và ơm lấy phần bề mặt cần nung để tơi nhưng khơng được tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 - 5,0 mm, càng nhỏ càng đỡ tổn tổn hao năng lượng. Có 3 kiểu tơi sau:
- Nung nóng rồi làm nguội tồn bề mặt.
- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt. Ví dụ như tơi từng răng cho các bánh răng lớn (modun lớn hơn 6) hay các cổ trục khuỷu (có máy tơi chun dùng điều khiển theo chương trình). Đây chính là phương pháp được sử dụng thí nghiệm trong đề tài.
- Nung nóng và làm nguội liên tục. Ứng dụng cho các trục dài hoặc băng máy có thể tự ram.
3.3.2.4. Tổ chức và cơ tính của thép sau q trình tơi cảm ứng
Thép C45 có hàm lượng phần trăm cacbon C = 0,35 - 0,55% (thường chỉ 0,40 - 0,50%) là loại thép có hàm lượng cacbon trung bình.
Tổ chức pha khi gia nhiệt
- Nhiệt độ chuyển biến pha A1, A3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi cao hơn từ 100 - 200oC.
- Tốc độ chuyển biến pha rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, nhận được siêu Mactenxit rất dẻo dai.
Tôi cảm ứng thường được áp dụng cho các chi tiết sau:
- Chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt như bánh răng, chốt, ....
3.3.2.5. Ưu điểm
Năng suất cao, do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt được tạo ra ngay trong lớp kim loại.
Chỉ có lớp bề mặt được tôi nên đạt độ cứng cần thiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai bên trong vật liệu nên đảm bảo tuổi thọ làm việc thiết bị và tránh được các phá hủy do độ giòn vật liệu gây ra.
Chất lượng tốt, tránh được các khuyết tật: ơxy hóa, thốt cacbon, chất lượng đồng đều, kết quả ổn định. Độ cứng cao hơn so với tơi thơng thường khoảng 1 ÷ 3 đơn vị HRC, gọi là siêu độ cứng.
Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, thích hợp cho sản xuất hàng loạt.
Nhược điểm: khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột, ... do khó chế tạo vịng cảm ứng thích hợp.
3.3.3. Thông số nhiệt luyện
Thông số tôi cảm ứng từ cục bộ CNC - Tốc độ gia nhiệt: 50 - 100oC/giây.
- Nhiệt độ yêu cầu: 850 - 950oC với thép C45 và 900 - 950oC với thép SS400.
- Thời gian giữ nhiệt: 0 - 3 giây (Chỉ nung nóng lớp bề mặt). - Tốc độ làm nguội: 200 - 250oC/giây.
- Q trình tơi cảm ứng từ cục bộ CNC được thực hiện bằng cách di chuyển cuộn dây trên máy CNC theo biên dạng cho trước. Kết hợp làm nguội từng vị trí riêng biệt ngay sau khi gia nhiệt sẽ đem lại kết quả độ cứng đạt được đồng đều trên toàn bề mặt.
Chương 4
MƠ PHỎNG Q TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS
4.1. Mơ hình thí nghiệm
4.1.1. Giới thiệu
Ngày nay việc mô phỏng số được sử dụng để tối ưu hóa q trình thí nghiệm, sản xuất nhằm mang lại những lợi ích như tiết kiệm thời gian, chi phí, nguyên vật liệu, các rủi ro trong q trình thực tế, giảm tác động đến mơi trường và con người. Trong đó, phần mềm Comsol Multiphysics được sử dụng rộng rãi trong các bài tốn mơ phỏng số để xây dựng các mơ hình vật lý trong các lĩnh vực khoa học cơ bản và kỹ thuật công nghệ như: truyền nhiệt, điện tử, động học chất lưu, phản ứng hóa học, sự lan truyền sóng, ….
Phạm vi luận văn sử dụng phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics trong việc mơ phỏng q trình gia nhiệt bề mặt thép cho quá trình tơi cảm ứng từ cục bộ. Điều này giúp cho q trình thí nghiệm đạt kết quả nhiệt độ tối ưu cũng như đảm bảo nhiệt độ nung nóng u cầu cho q trình tơi cao tần.
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