大型軸類件電磁感應加熱數(shù)值模擬和實驗分析

摘 要：電磁感應加熱作為一種高效清潔的加熱方式，被廣泛應用于軸類零件的加熱和熱處理，但其存在的強電磁干擾和工件表面氧化鐵皮給內(nèi)部溫度檢測帶來很大困難。而在軋輥等大型軸類零件的表面感應淬火熱處理工藝中，表層加熱溫度梯度對淬火熱處理組織和應力有著非常重要的影響。為此，文章基于有限元軟件MSC.MARC，建立了軸類件感應加熱過程的電-磁-熱耦合有限元模型，研究了感應加熱電流和頻率對工件表面溫度梯度的影響規(guī)律。并設計出一種接觸式溫度測量方法，解決了感應加熱過程試件內(nèi)部溫度梯度的精確監(jiān)測和實驗驗證問題。

關鍵詞：軸類件；電磁感應；數(shù)值模擬；接觸式測溫

引言

軸類件作為機械裝備關鍵部件，工作過程中多承受彎矩和扭矩等復雜組合載荷，為使其滿足服役力學性能和表面耐磨性等要求，在實際生產(chǎn)中廣泛采用各類熱處理工藝來保證軸類件的特殊性能要求[1]。電磁感應加熱，以其加熱速度快、溫度分布均勻、內(nèi)應力差異小等優(yōu)點而廣泛應用于表面淬火等熱處理工藝中[2-4]。實踐表明，淬火工件的溫度梯度直接影響產(chǎn)品最終組織類型和應力分布。然而，感應加熱過程中存在的強電磁場給傳統(tǒng)熱電偶接觸測溫方法帶來很大困難，而由于工件表面氧化鐵皮會使紅外波形和輻射率發(fā)生改變。目前，常用的紅外表面測溫方法也存在一定的局限性[5-6]。

為此，文章提出一種基于熱電偶接觸式溫度測量的電磁感應測溫方法，通過不同時刻斷電瞬間的無磁干擾以及時間離散重復測試數(shù)據(jù)重構，實現(xiàn)了感應加熱過程試件內(nèi)部溫度梯度的精確監(jiān)測。并結合感應加熱理論與傳熱學理論，采用有限元法建立感應加熱過程電磁場、溫度場的計算模型，通過有限元與實驗相結合的辦法，研究了頻率、電流、功率、時間等工藝參數(shù)對工件內(nèi)部溫度場分布的影響規(guī)律，為大型軋輥等工業(yè)重要軸類零件的表面淬火熱處理中的感應加熱數(shù)值預測提供依據(jù)。

1 高頻感應加熱的理論模型

2 軸類件高頻感應加熱的數(shù)值計算

電磁場和溫度場的數(shù)值模擬采用大型商業(yè)有限元軟件MARC來實現(xiàn)。圖1為建好的有限元模型，分別由遠端空氣、線圈、工件和空氣四部分組成。溫度場求解過程中、線圈通過高頻磁場對工件進行加熱，并通過空氣進行熱交換和輻射換熱，同時考慮線圈內(nèi)部通水冷卻的換熱過程。

為便于實驗驗證，文章模型工件采用45鋼，半徑為22mm，長度112mm，初始溫度為20℃。為了更好地體現(xiàn)工件表面與芯部的溫度差、有無線圈包圍時的溫度差以及有無線圈包圍交界處的熱傳導過程，模型只采用了6匝線圈，即沒有全部包圍圓柱形工件。加熱過程的鋼板密度變化忽略為常值7850kg·m-3，與溫度相關的電導率？滓，相對磁導率？滓，熱傳導系數(shù)k和比熱容cp等材料參數(shù)詳見參考文獻[7]。

3 軸類件高頻感應加熱的結果分析

文章針對影響電磁感應加熱速率和溫升效果的電流密度Js、電源頻率f和加熱時間t等3個關鍵參數(shù)，采用正交實驗法進行了軸類件電磁感應加熱過程的電-磁-熱耦合數(shù)值分析計算。探討了工件局部感應線加熱的分布規(guī)律，以及受熱區(qū)域的溫度場分布與加熱參數(shù)之間的關系。

3.1 電流密度JS的影響

圖2和圖3分別為不同電流密度下，試件表面溫度（A點）和試件直徑方向各點隨時間變化的結果。由圖2可知，隨著電流密度的逐漸增大，加熱速率、試件溫度和溫度加熱上限也越來越高。當Js<3.5e7（A/m2）時，試件表面溫度在加熱時間內(nèi)呈線性分布。當Js？叟3.5e7（A/m2）時，溫度開始出現(xiàn)上限值，如Js=6.0e7（A/m2）時溫度上限為1400℃。取最大電流密度剛進入穩(wěn)定時刻（t=8.5s）的溫度徑向分布分析可知（見圖3），電流密度越大，溫度趨向表面的特性越明顯，即渦流感應深度越淺，由電磁感應生成的熱量越集中于工件表面。

3.2 頻率f的影響

固定電流密度Js=3.5e7A/m2，加熱時間t=40s，取不同頻率對工件加熱分析結果。圖4為試件表面點在四種頻率下的溫度變化曲線，在相同的加熱模型下，工件溫度和加熱速度均隨頻率f的增大而增大溫度上升速度越大。圖5為加熱10s后試件沿直徑方向的溫度分布曲線。由此曲線表明，在電流密度和加熱時間相同的情況下，頻率f越大，從表面到中心點溫度下降越快，即渦流感應深度越淺，由電磁感應生成的熱量越集中于工件表面。當f=2000Hz時，受熱的表層迅速升溫至奧氏體化，而短時間內(nèi)表面產(chǎn)生的熱量還未來得及傳入內(nèi)部，心部仍處于較低的溫度水平，淬火熱處理往往利用此特性以獲得表面淬火組織[8]。

4 實驗驗證

熱電偶測溫精確高，但易受強電磁場外界環(huán)境的影響。而紅外測量易受到氧化鐵皮、參數(shù)設置等因素的影響，其測量精度也不易保證且只能測量物體表面溫度，無法獲得軸類工件表層的溫度梯度。為驗證有限元模型的準確性和準確測出感應加熱過程中試件的溫度變化，文章在基本防干擾措施的基礎上提出了一種短時斷電溫度采集模式，利用感應電源上的時鐘定時器，采集從初始常溫開始加熱至ti時刻時的溫度。通過設定不同采集時間并重復測試采集，獲得時間離散化后對應的溫度測試結果Ti，將點集（ti，Ti）進行重構便獲得完整的連續(xù)電磁感應加熱的溫度歷程曲線。如圖6所示，將4根熱電偶依次布置在從心部到試件表面上，并通過NI采集卡和采集電腦進行溫度實時采集。高頻感應加熱電源加熱頻率通過電腦進行控制，采樣斷電時間采用圖6中方波形式進行定時，加熱過程中每個0.5s中斷0.1s進行溫度采集。

A、B、C點熱電偶溫度測試重構曲線結果顯示各點溫度變化趨勢相同，由于近表面點（A點）受金屬熱傳導和集膚效應的影響，表面溫度（A點）比內(nèi)部溫度（B、C點）整體趨勢上高出100℃。由圖可知測得的溫度曲線光滑無毛刺，信號穩(wěn)定新好，滿足測試要求。圖7為B點模擬值與實測值的比較，可以看出兩者基本吻合，驗證了有限元結果的準確性。

5 結束語

文章結合有限元軟件marc進行了軸類件的感應加熱的溫度場精細化分析和各參數(shù)影響規(guī)律研究，并設計出一種基于熱電偶接觸式溫度測量方法，驗證了模型的準確性。研究結果表明感應加熱器加載電流和電流頻率越大，溫度梯度越大，并且電流頻率的影響明顯大于電流強度的影響。

參考文獻

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作者簡介：章德斌（1976-），男，福建福安，漢族，博士，河北省教育考試院，高級工程師，研究方向：有限元。