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1、2003年第3期(总101期)感应加热的热计算模型刘继全(二重集团公司齿轮分厂,四川德阳618013)摘要讨论了感应加热热传导过程中,瞬态温度场的变化和分布,建立了表面比功率和表面加热温度、加热时间、感应加热电流频率、工件尺寸及淬硬层之间关系的数学模型,为从工艺上控制零件所需的淬硬层深度提供了理论基础。关键词感应加热表面比功率温度场数学模型加热规范TheHeatCalculationModeloftheInductionHeatingLiuJiquanAbstractThispaperhasdiscussedthevarietyandthedistributionofthetr
2、ansienttemperaturefieldduringtheheatconductionprocessoftheinductionheating,sothatthemathematicmodelssuchasthesur2facespecificpowerandthesurfaceheatingtemperature,heatingtime,inductionheatingcurrentfrequency,therelationshipbetweentheworkpiecedimensionandhardenquenchedlayerhavebeenestablished.
3、Thetheoreticbaseofthehardenquenchedlayerneededbythecontrollingoftheworkpartshasbeenoffered.KeyWordsInductionHeating,SurfaceSpecificPower,TemperatureField,MathematicModel,HeatingSpecification.同时为实现感应加热全过程的自动化,提供了可1前言靠的理论依据。在工件的感应加热淬火中,表面比功率是一个非常重要的工艺参数,它不但决定工件在感应加热时的加热速度,同时决定工件的淬硬层深度及表面硬度,对工件
4、的表面淬火质量起着非常大的作用。长久以来,人们一直希望在感应加热频率、表面加热温度、加热时间、可能达到的淬硬层深度与表面比功率之间的关系建立一种数学模型,从而实现对感应加热时工件获得的淬硬层深度、表面硬度的预测。对此,本文通过对工件感应a)深入式加热b)表面式加热加热时热传导过程的瞬态温度场分析和讨论,建图1感应加热时温度分布立了圆柱形零件和平表面零件在感应加热时,加Tk—钢失去磁性的温度(计算用的淬火温度)热温度、加热时间、电流频率、工件尺寸和可能达Xk—淬火加热层到的淬硬层与表面比功率之间关系的数学模型。2加热规范提高了表面感应加热时的各种加热参数的可靠性和工件的表面淬火质
5、量,解决了以往凭经验选工件的感应加热通常是在温度(表面上的)择表面比功率所获得的淬硬层深度的不可靠性,及热流发生的情况下进行的,这是一种非稳态传16大型铸锻件2-4xö$-2xö$热。温度及热流对时间的关系,可能是各种各样1+mekk+2mekksin(2xkö$k)(5)的,但是可以分成某些代表性的规范。常可分为1-m2e-4xkö$k)2-2me-2xkö$ksin(2xkö$k)两种:一种是表面式(又称传导式)加热,此种加热规范常用于零件和毛坯的穿透加热及感应加热化学处理;一种是深入式(又称透入式)加热,一般零件的表面淬火都是采用此种加热规范。本文所讨论的情况就是属于后一
6、种加热规范。感应加热时的温度分布如图1所示。3感应加热热传导的分析和讨论在深入式加热中,已加热到超过磁性转变点图2在深度xk处已加热到超过磁性[1]的一层中,电流密度会缓慢下降,见图2,因而转变点以上的钢件中电流密度的分布状况功率密度也缓慢下降,为了进行近似的计算,我们认为在这一层的界限以内电流密度是恒定的。在这里的讨论计算中,导磁率一般取L2=其深度等于16(则m=-0.6)。因为零件在感应加热时,表面N=$kM(1)2功率的值一般在0.2～2kWöcm之间,而导磁率50$[1、3]k=的值通常在9～25范围内。同时采取Tk=f750℃作为已加热层xk的内部边界的计算温度,1
7、M=(2)对于已加热层深度xk,便可把它作为淬火层深2kcosÁ度。因为,当温度超过磁性转变点温度(Tk=式中,N为活性层(就放热而言)深度,cm;750℃)时,大多数的钢几乎完全失去磁性,这样,f为感应加热电流的频率;淬火层的深度Xk便与失去磁性的钢层深度相$k为热态电流透入深度,cm;等。经证明,对大多数结构钢的感应加热来说是xkM,k,Á为依比值及铁芯的相对导磁率[1]$k正确的。而定;在热传导过程中,被加热零件上的任何一点xk为已加热到超过磁性转变点的一层的的温度和加热时间及截面深度
