उष्णता उपचारामध्ये इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंडक्शनचा वापर सामान्य आहे. तथापि, इंडक्शन हीट ट्रीटमेंटची सध्याची परिस्थिती दर्शवते की विकासासाठी भरपूर जागा असू शकतात.
ऑटोमोटिव्ह आणि एव्हिएशन उद्योगांमध्ये कार्यक्षमता आणि पर्यावरण संरक्षणाची मागणी, इंडक्शन पॉवर सप्लायमधील नावीन्य आणि इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट प्रक्रियेच्या सिम्युलेशनची प्रगती या सर्व गोष्टी इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट तंत्रज्ञानाच्या विकासास हातभार लावत आहेत, जे "सुवर्ण" मध्ये प्रवेश करणार आहे. वय".
कार्यक्षमता आणि पर्यावरणीय फायदे:
इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंडक्शनची मूलभूत वैशिष्ट्ये पर्यावरणीय जागरूकता आणि कमी खर्चाच्या शोधाच्या युगात उष्णता उपचार उद्योगासाठी आकर्षक बनवतात. इंडक्शन हीटिंग ही हीटिंगची थेट पद्धत आहे ज्यामध्ये आसपासच्या वातावरणातून घटकामध्ये प्रसारित होण्याऐवजी गरम केलेल्या घटकामध्ये उष्णता निर्माण केली जाते. इंडक्शन हीटिंग पृष्ठभागावर आणि खाली उष्णता निर्माण करत असल्याने, ते केवळ जलद नाही तर सामान्यतः अत्यंत कार्यक्षम आहे.
इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट प्रक्रियेची इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक कार्यक्षमता अनेकदा खूप जास्त असते. कार्बन स्टील आणि मार्टेन्साईट स्टेनलेस स्टील सारख्या फेरोमॅग्नेटिक सामग्रीच्या इंडक्शन हार्डनिंगसाठी, ही कार्यक्षमता सामान्यत: 70-80% श्रेणीमध्ये असते (आणि अशा सामग्रीच्या टेम्परिंगसाठी 90% च्या जवळ). इंडक्शन हार्डनिंगमध्ये भागांमध्ये रसायनांचा प्रसार देखील होत नाही. म्हणून, कार्ब्युरिझिंग आणि नायट्राइडिंगसारख्या थर्मोकेमिकल पद्धतींच्या तुलनेत इंडक्शन हार्डनिंग ही सामान्यतः "स्वच्छ" पद्धत मानली जाते.
इंडक्शन पॉवर सप्लायमध्ये नावीन्य:
1950 आणि 1960 च्या दशकात ट्रान्झिस्टोराइज्ड उच्च-फ्रिक्वेंसी उर्जा स्त्रोतांच्या विकासामुळे इंडक्शन हीट ट्रीटमेंटचा चेहरा मोठ्या प्रमाणात बदलला. 1990 च्या दशकाच्या उत्तरार्धात आणि 20 व्या शतकाच्या सुरूवातीस समकालिक दुहेरी-फ्रिक्वेंसी वीज पुरवठ्याच्या आगमनाने कडक होण्यास प्रवृत्त करण्याच्या क्षमतेत लक्षणीय सुधारणा झाली आहे, विशेषत: लहान आणि मध्यम-आकाराच्या गीअर्ससाठी. अलिकडच्या वर्षांत, सुमारे 20 वर्षांच्या इंडक्शन पॉवरच्या संथ विकासानंतर, क्रांतिकारी तंत्रज्ञान उदयास आले आहे - एक इन्व्हर्टर जे कार्य वारंवारता त्वरित बदलू शकते.
इंडक्शन हीटिंगमध्ये, लागू केलेल्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डची वारंवारता (म्हणजे, इंडक्शन कॉइलमधून जाणाऱ्या पर्यायी विद्युत् प्रवाहाची वारंवारता) गरम होत असलेल्या घटकातील उष्णता ऊर्जा निर्मितीच्या खोलीवर परिणाम करते. कंडक्टर ज्या खोलीपर्यंत आलटून पालटून चालणारा विद्युतप्रवाह बहुतेक उष्णता निर्माण करतो (सुमारे 86%) त्याला सामान्यतः प्रवेश खोली म्हणतात. पेनिट्रेशन डेप्थ (δ) हे कंडक्टर रेझिस्टिव्हिटी (ρ), पारगम्यता (μ) आणि लागू चुंबकीय क्षेत्राची वारंवारता (F) चे कार्य आहे आणि ते खालीलप्रमाणे अंदाजे केले जाऊ शकते:
केस स्टडी: स्कॅन हार्डनिंग
स्कॅन हार्डनिंग हे व्हेरिएबल फ्रिक्वेंसी पॉवर सप्लायचे परिपक्व ऍप्लिकेशन आहे. वारंवारता बदलण्याची क्षमता स्कॅन केलेल्या भागाच्या लांबीसह विविध आकारांच्या कठोर आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी एक आदर्श उपाय प्रदान करते.
आकृती 1 मध्यम कार्बन स्टील (SAE 4140) शाफ्टसाठी स्कॅन हार्डनिंग प्रक्रिया दर्शवते, योग्य केस स्टडी प्रदान करते. हा पोकळ शाफ्ट अनेक आधुनिक ऑटोमोटिव्ह भागांचा प्रतिनिधी आहे. त्याचा शेवट फ्लॅंजच्या स्वरूपात आहे. शाफ्ट बॉडीचा व्यास लक्षणीयरीत्या बदलतो, संक्रमण भागाच्या वर आणि खाली व्यास अनुक्रमे सुमारे 45 मिमी आणि 50 मिमी असतो.
आकृती 1. मध्यम कार्बन स्टील (SAE 4140) शाफ्टसाठी हार्डनिंग प्रक्रिया स्कॅन करा
हा 5 मिमी व्यासाचा फरक हार्डनिंग लेयरच्या आवश्यक खोलीच्या तुलनेत खूप मोठा आहे, ज्यामुळे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्ड आणि हीटिंग नियंत्रित करणे कठीण होते. व्यासाच्या संक्रमणाच्या आतील कोपऱ्यांवर, तुलनेने मोठ्या प्रमाणात आसपासच्या सामग्रीमध्ये प्रसारित करण्यासाठी पुरेशी उष्णता निर्माण करणे कठीण आहे. 0.5 मिमी खोबणीचे अस्तित्व प्रभावीपणे कॉइल आणि घटकांमधील स्थानिक जोडणी सुधारते परंतु प्रक्रियेसाठी अतिरिक्त आव्हाने निर्माण करतात. याव्यतिरिक्त, बाहेरील कोपरा जास्त गरम होण्याचा धोका असतो कारण तो बाहेरून बाहेर येतो आणि सिंगल-टर्न कॉइलच्या सभोवतालच्या चुंबकीय क्षेत्र रेषेच्या प्रदेशात प्रवेश करतो.
अशा घटकाला कठोर करण्यासाठी एकच वारंवारता वापरल्यास, 30 kHz ची निवड केली जाण्याची शक्यता आहे जेणेकरून अंदाजे 2 mm ची प्रभावी कठोर खोली सुनिश्चित होईल. आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, प्रक्रिया घटकाच्या बहुतेक लांबीसह चांगले कडक होणे प्राप्त करते, परंतु व्यास संक्रमणासह समस्या आहेत.
आकृती 2. प्रक्रियेने घटकाच्या बहुतेक लांबीसह चांगले कडक होणे प्राप्त केले, परंतु व्यास संक्रमणासह समस्या होत्या.
अपर्याप्त ऑस्टेनिटायझेशनमुळे (म्हणजे, गरम करणे), खोबणीत फारच कमी प्रमाणात मार्टेन्साइट तयार होते. या भागात कॉइल पॉवर वाढवणे आणि/किंवा प्रभावी हीटिंग वेळ वाढवणे हे तार्किक सुधारणा असल्याचे दिसते. तथापि, यामुळे शेजारील बाह्य कोपर्यात कमाल तापमानात आणखी वाढ होईल. जर हे तापमान आधीपासून 1,060°C(1,940°F) पातळीवर असेल, तर आणखी वाढ झाल्यास स्थानिक धान्य वाहून नेणे अवांछित (आणि शक्यतो अस्वीकार्य) होऊ शकते.
आतील कोन आणि बाहेरील कोन यांच्यातील अंतर केवळ 3 मिलिमीटर असल्याने, बाहेरील कोनात तापमान न वाढवता आतील कोनात तापमान वाढवणे हे एक अशक्य काम आहे. तथापि, आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, कॉइल जेथे येईल तेथे व्यास संक्रमण गरम करताना वारंवारता बदलून हे यशस्वीरित्या केले जाते.
आकृती 3. व्यास संक्रमण भाग गरम करताना वारंवारता बदलून, बाह्य कोपर्याशिवाय आतील कोपर्यात तापमान यशस्वीरित्या वाढवले गेले.
इन्व्हर्टर आउटपुट वारंवारता 30 kHz वरून 10 kHz पर्यंत कमी केल्याने घटकातील प्रवेशाची खोली सुमारे 1.7 पट वाढते, आतील कोपर्यात इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक प्रॉक्सिमिटी प्रभाव कमी होतो आणि बाहेरील कोपऱ्यात जास्त गरम होण्याचा धोका कमी होतो. या फ्रिक्वेंसी बदलामुळे स्लॉटवरील पृष्ठभागाच्या कडक होण्याच्या थराची खोली प्रभावीपणे वाढली आणि जवळच्या खांद्याचे शिखर तापमान जवळजवळ 40°C ने कमी केले.
हा तुलनेने साधा केस स्टडी व्हेरिएबल फ्रिक्वेन्सी स्कॅन हार्डनिंग सिस्टमचा एक महत्त्वाचा दर्जा फायदा दर्शवतो. जर घटकास लांबीच्या बाजूने कठोर स्तराची भिन्न खोली आवश्यक असेल तर वारंवारता समायोजित करण्याची क्षमता अतिरिक्त फायदे प्रदान करते. याव्यतिरिक्त, जरी या लेखाच्या व्याप्तीच्या पलीकडे असले तरी, IFP तंत्रज्ञान आडव्या सतत कडक होणे, रोटरी हार्डनिंग (गियर्स आणि स्प्रॉकेटसाठी), टेम्पर आणि तणाव आराम यासह इतर अनेक अनुप्रयोगांसाठी वस्तुमान आणि लवचिकता फायदे देते.
उपकरणे आणि प्रक्रिया डिझाइनमध्ये अनुकरण:
इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट सिस्टमच्या डिझाइनमध्ये कॉम्प्युटर सिम्युलेशनचा वापर केल्याने उत्पादनाची गुणवत्ता सुधारू शकते, डिझाइनचा वेळ कमी होऊ शकतो, उत्पादन खर्च कमी होतो आणि प्रक्रियेच्या विकासास गती मिळते. तथापि, विश्वासार्ह मॉडेल्स विकसित करण्यासाठी आणि इच्छित परिणामांची गणना करण्यासाठी लागणाऱ्या वेळेनुसार हे फायदे सहजपणे मिटवले जाऊ शकतात.
काही विशिष्ट अनुप्रयोगांमध्ये, विशेषत: ज्यांना त्रि-आयामी सिम्युलेशन आवश्यक आहे, सिम्युलेशनद्वारे उपयुक्त माहिती मिळविण्यासाठी लागणारा वेळ केवळ अस्वीकार्य आहे. सुदैवाने, सिम्युलेशन सॉफ्टवेअरची वाढती शक्ती आणि कॉम्प्युटर हार्डवेअरची घटती किंमत यामुळे हा अडथळा अधिक लहान होत आहे.
केस स्टडी: एक-वेळ कडक होणे:
एक-वेळ कडक होण्याच्या प्रक्रियेत, परिघीय आणि रेखांशाचा प्रवाह दोन्ही प्रवृत्त करण्यास सक्षम असलेल्या इंडक्शन कॉइलचा वापर संपूर्ण घटक कडक होण्यासाठी गरम करण्यासाठी केला जातो (आकृती 4). संपूर्ण शरीर एकसमान कडक होण्यास प्रोत्साहन देण्यासाठी गरम आणि शमन प्रक्रियेदरम्यान भाग फिरतात. इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट उपकरणे उत्पादक आणि वापरकर्त्यांसाठी वाजवी वेळेत एक-वेळच्या कठोर प्रक्रियेचे विश्वसनीयरित्या अनुकरण करण्याची क्षमता महत्त्वपूर्ण आहे कारण:
अंजीर. 4. एक-वेळ कठोर प्रक्रिया इंडक्शन कॉइल वापरते जी संपूर्ण घटक गरम करण्यासाठी परिघीय आणि रेखांशाचा प्रवाह निर्माण करतात.
• एकवेळ कडक होणे ही अतिशय सामान्य इंडक्शन हीट-ट्रीटमेंट प्रक्रिया आहे.
• डिस्पोजेबल इंडक्शन कॉइलची रचना इतर इंडक्शन हार्डनिंग कॉइल्सच्या तुलनेत खूपच कमी अंतर्ज्ञानी आहे.
• हार्डनिंग ट्रीटमेंटचा परिणाम प्रामुख्याने प्रक्रिया पॅरामीटर्सपेक्षा कॉइलच्या आकारावर अवलंबून असतो (स्कॅन हार्डनिंगच्या विपरीत).
• कॉइल्स बनवणे महाग असू शकते, विशेषत: चाचणी-आणि-एरर डिझाईन्सना वारंवार पुनरावृत्ती आवश्यक असते.
• डिस्पोजेबल इंडक्शन कॉइल सामान्यतः पॉवर डेन्सिटीमध्ये जास्त असतात आणि त्यामुळे अकाली नुकसान होण्याची शक्यता असते.
दुर्दैवाने, एकवेळ कडक होण्याच्या प्रक्रियेच्या भौतिक वैशिष्ट्यांमुळे थ्री-डायमेन्शनल इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हीटिंग सिम्युलेशनचा वापर करणे आवश्यक आहे आणि त्रिमितीय मर्यादित घटक मॉडेल स्थापित करण्यासाठी आणि अचूक परिणामांची गणना करण्यासाठी लागणारा वेळ हा एक मोठा अडथळा आहे. म्हणून, उद्योगात वन-टाइम इंडक्शन हार्डनिंग प्रोसेस सिम्युलेशन अजूनही फार दुर्मिळ आहे.
तथापि, आकृती 5 दर्शविल्याप्रमाणे, हे बदलत आहे. सॉफ्टवेअरची वाढती शक्ती, संगणकीय संसाधनांच्या घटत्या खर्चासह, जटिल सिम्युलेशन बनवते ज्यांना मोठ्या प्रमाणात संसाधनांची आवश्यकता असते. इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट उपकरणांचे उत्पादक आणि वापरकर्ते बक्षिसे घेत आहेत.
आकृती 5. सॉफ्टवेअरची वाढती क्षमता आणि संगणकीय संसाधनांची कमी होत जाणारी किंमत जटिल सिम्युलेशन बनवते ज्यांना मोठ्या प्रमाणात संसाधनांची आवश्यकता असते.