Поверхностная закалка стальных изделий

March 16, 2015 by admin Комментировать »

Обширная область приложения вариационных методов открылась в связи с высокочастотным нагревом. С 1936 г. я начал работы по нагреву стальных изделий токами высокой частоты для поверхностной закалки. Таким методом мы собирались обрабатывать самые разнообразные детали машин, режущий и мерительный инструмент. Для разных форм изделий надо было сконструировать нагреватели — индукторы.

Принцип высокочастотного нагрева, вообще говоря, прост.

Неспециалистам ею объясняют часто такими словами: вокруг проводника с током высокой частоты пульсирует электромагнитная энергия. Любое металлическое тело, помещенное вблизи этою токонесущего проводника, поглощает электромагнитную энергию и нагревается.

Ко времени начала работ по поверхностной закалке высокочастотный нагрев уже ряд лет применялся в плавильных печ!ах. В этих печах нагрев идет не так уже быстро. В относительно маленькой печи на несколько килограммов металла расплавление продолжается до получаса. За время плавки тепло, выделяемое токами высокой частоты, успевает совершенно равномерно распределиться во всей расплавленной массе. Выравнивание температур внутри расплавленного металла происходит за счет его высокой теплопроводности и за счет перемешивания металла под действием магнитных сил.

Тем, кто работал с высокочастотными печами, вовсе не требовалось знать в деталях, как именно распределяется выделение тепла в расплавленном металле — садке печи. Для расчетов часто принимали, что тепло выделяется равномерно по всей боковой поверхности садки в то время, как в действительности имеет место более сильный нагрев самой верхней и самой ниэдней части расплава. «Печников» интересовало лишь общее количество тепла, или, как принято говорить, «интегральный эффект нагрева».

Совсем иные, новые требования возникли, когда мы стали нагревать под поверхностную закалку машиностроительные детали сложной формы. Здесь нагрев должен быть в большинстве случаев только местный. Нагревать нужно только ограниченные участки поверхности изделия, те, что подвергаются при работе истиранию. Остальная часть стального изделия должна оставаться холодной.

Нагрев под закалку продолжается немногие секунды, а иногда и доли секунды. Хотя теплопроводность металла и высока, но время нагрева так мало, что теплообмен между отдельными участками мало изменяет начальное распределение тепла.

Тепло остается там, где оно зарождается.

Живопись теплом

Встала задача конструировать проводники, несущие высокочастотный ток — нагревательные индукторы — так, чтобы создавать именно требуемое распределение тепла в поверхностно-закаливаемом стальном изделии. Требовалось научиться действовать высокочастотным индуктором так, как маляр действует кистью, уметь накладывать тепло, как наносят краску. Знать заранее, до включения высокочастотного тока, что тепло попадет именно на этот участок изделия.

Ни один из опубликованных в литературе расчетов индукционных печей не давал деталей распределения тепла. Для поверхностной закалки надо было создавать новые расчеты, новые инженерные теории.

Поток электромагнитной энергии невидим, не осязаем. О его действии можно судить только по результатам.

Мы начали с того, что строили нагревательные индукторы самых различных форм и размеров, помещали в них различные стальные изделия и наблюдали, как эти изделия нагреваются при включении токов разной силы и частоты.

Затем бросали нагретые изделия в воду — закаливали их. Меряли твердость. Аллундовыми дисками разрезали каленую сталь на ломтики. На разрезах можно было определить толщину закаленного слоя и, таким образом, представить себе распределение тепла.

Чем более тонкий закаленный слой требовалось получить, тем короче приходилось давать время нагрева, чтобы не дать теплу уйти, распространиться вглубь металла. А чтоб за короткое время успеть нагреть сталь до температуры закалки, мы применяли все большие удельные мощности, часто более киловатта на каждый квадратный сантиметр нагреваемой поверхности.

Впадины горячее выступов

Много дополнений и уточнений пришлось внести в то примитивное объяснение высокочастотного нагрева, что давалось раньше.

Если считать, что электромагнитная энергия исходит из проводников индуктора, то казалось как будто бы естественным, что плотность этой энергии ,в пространстве вокруг индуктора тем выше, чем ближе к проводнику. У самой поверхности меди плотность энергии будет наибольшая, а по мере удаления от поверхности проводника плотность энергии падает.

Если внутрь индуктора в виде простого круглого витка поместить стальное изделие, снабженное выступами и впадинами, к примеру, звездочку от велосипедной передачи, то из высказанного предположения о распределении энергии следовало бы, что интенсивнее всего должны нагреваться те участки изделия, которые ближе всего к поверхности проводника индуктора, т. е. вершины выступов. Более удаленные от индуктора участки — в данном примере впадины в велосипедной звездочке, казалось бы должны были нагреваться слабее. Но когда мы действительно поместили такую звездочку в индуктор и включили высокочастотный ток большой силы, то получилось иное. Сначала стало нагреваться дно впадины и там металл даже оплавился. На вершинах выступав нагрев стал заметен позже. Выступы не дошли даже до свечения. Они нагрелись только до цветов побежалости. Выступы были холоднее впадин на несколько сотен градусов.

С этим фактом еще бы можно было помириться, ведь и пламя газовой горелки (автогенной, к примеру) горячее всего не у выхода газа из наконечника горелки, а на некотором от него расстоянии.

Но вот поместили в этот же индуктор червячный винт — это тоже изделие с выступами и впадинами. У винта разгорелись сначала именно выступы. Тут уже аналогия с газовым пламенем не помогает. Относительная удаленность выступов и впадин была одинаковой в обоих примерах, но один раз грелись сильнее впадины, а другой — выступы.

Здесь придется сделать небольшое отступление, чтобы проследить с самого начала те рассуждения о законах выделения тепла, которые в конце концов помогли точно объяснить все особенности высокочастотного нагревания и позволили точно предугадывать ход нагрева той или иной детали в том или ином индукторе.

Мыльные пузыри

Вот рецепт хорошей жидкости для мыльных пузырей. Растворить 1 г чистого сухого олеата натрия в рюмке воды (50 г) и добавить к раствору 30—40 г глицерина.

Если окунуть в такой раствор небольшой проволочный каркас, то на нем останется тонкая и довольно прочная пленка. Строение такой пленки было изображено на фиг. 6-12. Чтобы пленка была достаточно долговечной, размеры каркаса не должны превышать 10—15 см. Каркас может быть не только плоским, но и пространственным.

Мыльная пленка всегда принимает форму минимальной поверхности с наименьшей площадью. Силы поверхностного натяжения стремятся сократить пленку.

Минимальные поверхности имеют много интересных особенностей.

Еще в середине XVIII в. член Петербургской академии наук Эйлер установил, что всякая минимальная поверхность может быть только либо плоской, либо седлообразной. Во всех случаях средняя кривизна поверхности равна нулю.

Если окунуть в мыльный раствор каркас куба, то получается система поверхностей, пересекающих одна другую под углом 120°. Если куб вынимать из раствора осторожно, то можно насчитать тринадцать почти плоских поверхностей.

Очень поучительно делать гибкие проволочные каркасы и изучать изменение формы поверхности пленки под влиянием непрерывной деформации каркаса. Окунув в мыльный раствор каркас из двух параллельных окружностей, получим структуру, состоящую из трех поверхностей, смыкающихся под углом 120°. Одна из этих поверхностей — плоский круговой диск. Если уничтожить этот диск, то между проволочными кольцами мыльная пленка образует катеноид — поверхность вращения цепной линии. При раздвижении колец катеноид в конце концов лопается и получаются два отдельных диска из мыльной пленки.

Изгибая проволочное кольцо, на котором натянута мыльная пленка, можно от диска перейти к односторонней поверхности Мёбиуса. Вновь расправляя кольцо, можно опять превратить одностороннюю поверхность в диск.

Резиновые мембраны для исследования электронных ламп

Мыльные пленки — очень непрочный материал. Тонкая мембрана из хорошей, эластичной резины обладает теми же свойствами, что и мыльная пленка. Когда ее растягивают — она принимает форму минимальной поверхности. При помощи резиновых мембран моделируют распределение электрических сил в электронных лампах. На мембрану опирают стойки, соответствующие по своему расположению катоду, аноду, сеткам ламп, а по своей высоте — их потенциалам. Под давлением этих стоек резина прогибается в виде холмов и впадин. По резиновым горкам можно катить стальные шарики, и силы тяжести будут действовать на эти шарики подобно тому, как электрические силы действуют на электроны в настоящей лампе.

Чтобы создать хорошую конструкцию электронной лампы, недостаточно, конечно, катать шарики по мембранам. В реальной лампе есть еще много осложняющих процессов. Но эти мембраны — ценное подспорье для конструктора и расчетчика. Они облегчают понимание процессов в лампе.

В стальных изделиях, пронизываемых, или, точнее говоря, омываемых быстропеременными магнитными потонами, электроны движутся, следуя законам более сложным, нежели движения шаров по холмам,. Но и это движение электронов можно наглядно представить и промоделировать простыми средствами.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты