同时加热轴承部件多个部分的分体多线圈电感应热处理系统的制作方法

同时加热轴承部件多个部分的分体多线圈电感应热处理系统
相关申请的交叉引用
1.本技术主张2020年2月5日提交的第62/970,237号美国临时申请的权益，现将其全部内容通过引用并入本技术。
技术领域
2.本发明一般涉及具有轴承特征(如轴承座圈和滚道)的轴承部件的电感应热处理，尤其是轴承座圈和滚道的选定特征需要冶金硬化的热处理。


背景技术：

3.本发明涉及例如，用于动力传动系、动力传动系和车轮的部件中的轴承内圈或外圈以及滚道或其他轴承特征的电感应热处理。轴承是关键的机器元件，它允许部件之间相互移动。根据具体应用，轴承座圈设计有许多变化，其中许多设计都是标准化的。这包括但不限于径向滚珠轴承和滚柱轴承，以及推力滚珠轴承和滚柱轴承。也有单列和多列轴承，以及单向和双向轴承设计。无论设计细节如何，都需要对轴承接触工作面进行处理，以确保其耐磨性和在轴承寿命内的强度，以及确保一些其他机械性能，而电感应淬火是这种热处理最常用的方法之一。
4.图1(a)在横截面透视图中示出了汽车工业中常用的轴承组件100的一种配置轴承内圈。大多数锻造轴承座圈的制造都使用各种钢种。在不太常见的应用中，也使用粉末冶金材料和铸铁。轴承座圈也可以通过增材制造技术生产，例如3d打印工艺。
5.图1(b)和图1(c)在平面立面横截面中说明了轴承组件100配置的轴承内圈感应表面硬化图案的两个替代示例。图1(b)显示了一个间断的轴承座圈硬化图案，其中包含两个圆周向冶金硬化区101和102(以实心黑色或交叉阴影着色的区域)，它们由非硬化圆周向区域103垂直分隔，如图1(a)和图1(b)所示。硬化区101和102是滚动元件(例如滚珠或滚柱)分别靠在轴承内圈101a和102a上的轴承特征或区域。根据具体应用，区域101和102的几何形状可以相同或不同。图1(b)中所示的硬化图案是最常见的模式，因为它提供了需要它们的轴承接触表面所需的机械性能，而不会硬化不发生接触磨损的区域，例如区域103。仅硬化轴承特征或区域101和102不仅有助于提供所需的工程特性和热处理后的最小变形特性，而且还减少了热处理所需的电能。
6.图1(c)示出了在某些特定应用中使用的替代类型的硬化图案104(实心黑色阴影区域或横截面区域)。在这种类型的硬化图案中，除了内轴承接触面(轴承特征或区域101a和102a)被感应硬化外，分隔内轴承接触面的区域103也被感应硬化。图案104通常与至少两个不希望的工件和工艺因素有关：过度变形特性和硬化所有三个区域(即区域101、102和103)所需的电能显著增加。与图1(c)所示的硬化模式相比，图1(b)所示的硬化模式是最常见的，这就是其中的一些原因。
7.为了感应热处理轴承座圈，在一些工艺过程中，感应加热线圈移动到加热位置(方法a)；然而，在其他过程中，感应加热线圈是静态的，轴承座圈(即轴承部件(工件)轴承特征
或待热处理区域)被移动到加热位置(方法b)。本文公开的本发明可用于方法a或方法b或方法a和b组合的热处理设备和工艺中，其中感应加热线圈和轴承座圈相对彼此移动。
8.传统的单匝或多匝螺线管型线圈(例如，传统的现有技术双匝线圈)通常用于轴承座圈的热处理表面。一感应线圈位于轴承座圈外部(在围绕轴承座圈的配置中)，用于对座圈的外表面进行热处理。一感应线圈位于轴承座圈内部，用于对其内(内部)轴承表面进行热处理。为方便起见，本发明通常在本文中描述用于例如轴承座圈和滚道等内轴承特征的感应淬火(热处理)，但也适用于轴承外部特征或轴承部件表面的热处理。例如，图1(d)和图1(e)示出了典型配置的轴承座圈组件100
′
的代表性透视图，其中外(外部)表面100
′
a需要硬化。图1(f)、图1(g)、图1(h)和图1(i)示出了轴承组件400的配置轴承外圈的平面截面，该轴承组件400具有不需要感应硬化的内表面区域401和包含必须感应硬化的外(外)表面402的轴承特征或区域。取决于特定应用，如图1(h)中所示(在交叉阴影区域405中)的外(外部)表面402的整个区域可能需要感应表面硬化；可选的，选择性轴承特征或区域(每个选择性区域在交叉阴影中着色)，例如图1(f)中所示的选择性区域403，图1(g)中所示的选择区域404或之前提到的图1(h)中所示的选择区域405，以及图1(i)中的选择区域406可能需要感应表面硬化。图1(i)所示的硬化图案表示间断硬化图案的示例。
9.与用于加热轴承外表面(或外径)的类似线圈相比，内部圆柱形感应线圈的有效性在很大程度上取决于线圈到工件(待硬化的轴承特征)的磁场耦合间隙。随着磁场耦合间隙的增加，内部线圈的电效率迅速降低。因此，为了提高加热电气效率并将能耗降至最低，必须使线圈与工件的场耦合间隙尽可能小。
10.用于加热内(内部)表面的螺线管型电感器不如用于加热轴承外(外部)表面的类似电感器(也称为线圈或感应线圈)效率高的原因与电磁环效应有关。根据电磁环效应，线圈电流集中在代表低阻抗路径的螺线管型线圈的内径上，如handbook of induction heating(second edition；crc press；boca raton，fl，united states)(第二版；crc出版社；美国佛罗里达州博卡拉顿)第3.1.5节所述。加热内(内部)径表面时，线圈内径是距离加热内径表面最远的区域。因此，线圈和被加热工件(即要加热的轴承特性)之间的电磁耦合大于工件内(内部)径和感应线圈外径之间的实际气隙。这导致线圈-工件场耦合不良(也称为空间接近)，因此导致线圈效率显著降低。
11.通常要求在内部电感器内安装磁通量集中器，以提高线圈的电气效率并减少线圈电流，尤其是用于加热小到中等直径的内表面。磁通集中器产生电磁槽效应，其对线圈电流分布的影响比电磁环效应大得多，并迫使线圈电流移向线圈外部区域，使其更靠近加热工件的表面。这增加了需要加热的(轴承部件)工件内表面的磁场强度和热强度。
12.为了最大限度地减少感应热处理后的变形，并实现热处理性能，以延长轴承座圈的使用寿命，重要的是热处理过程应达到足够的最小硬度层深度，但应避免：(1)导致局部表层深度过深；(2)奥氏体化过程中温度过高；和(3)每个轴承接触面内的硬度层深度(例如在图1(b)中配置的轴承内圈的区域101a和102a中)的不同硬度层深度不成比例相差过大。这些热处理特性是为什么在每个轴承接触表面区域101a和102a内获得尽可能均匀的硬度图案通常是非常理想的原因之一。
13.几个因素使得在轴承特征或区域101a和102a中获得足够均匀的硬度图案具有挑战性。第一个因素与(轴承部件)工件几何形状的复杂性有关，例如图1(a)至图1(c)中的工
件几何形状。由于电磁边缘效应而有吸引磁场的倾向的拐角区域可能会产生更深的硬度层深度。除此之外，在包括表面区域101a和102a的轴承特征附近，存在形成工件(即轴承组件)的明显不同的金属质量，这会对相邻区域产生明显不同的“冷沉”效应(轴向和径向)，并在感应表面硬化轴承内圈(区域101a和102a)时导致相应的温度偏差。
14.第二个因素与使用传统单匝或多匝螺线管型线圈(例如，现有技术的传统双匝线圈)获得轮廓状硬度图案的困难有关。为了将螺线管式淬火线圈定位到轴承座圈内部的加热位置，以在轴承特征或区域101和102(例如图1(b)中所示)中硬化其内表面，在螺线管式感应淬火线圈中轴承座圈的加载(到加热位置)和卸载(从加热位置)期间，必须有足够的间隙来通过最小直径区域(图1(b)中的区域103)。这导致电流流动的线圈区域和产生不均匀硬度图案的轴承内圈区域之间存在可变电磁耦合(空间接近度)。
15.图2(a)和图2(b)用轴承内圈的横截面图说明了可变电磁耦合现象的示例。在这些图中所示的示例中，具有圆形横截面(以及线圈匝301和302)和中空内部水冷通道的铜管用于感应线圈制造。在其他实施例中，感应线圈也可以如下形成：(1)通过计算机数控(cnc)加工实心铜块；(2)将合适的铜组件钎焊在一起；或(3)模压形成线圈匝的成型加热面，以适应轴承内圈区域115a和106a(图2(a))以及轴承内圈区域125a和126a(图2(b))的几何形状。传统磁通集中器203和204可用于提高加热效率，并集中由铜管形成的两匝线圈的每个线圈匝301和302产生的磁场，用于加热图2(a)中的轴承内圈(区域115和106)，以及加热替代几何形状的图2(b)中的轴承内圈(区域125和126)。磁通量集中器通常由标准层压包、纯铁氧体或含有压制和/或烧结磁性颗粒的传统铁基或铁氧体基粉末材料制成。
16.如图2(a)所示，传统现有技术螺线管式双匝电感器铜管的线圈匝301和302分别定位为加热相应的轴承特征，包括轴承组件100y上配置的轴承内圈的表面(区域115a和106a)。配置的轴承内圈部件100y的纵向对称轴50与铜管螺线管型双匝线圈的纵向对称轴重合。在图2(a)的示例中，交叉阴影硬化区域106和管道301之间的上部径向间隙107在周向上相同(即，当比较图2(a)所示平面横截面图左和右横截面侧的径向间隙107时)。足够的径向间隙107允许工件(配置的轴承内圈)安全地移入和移出加热位置，其中工件显示在图2(a)或图2(b)中的加热位置，同时两圈线圈升高(和/或轴承内圈降低)到加热位置。
17.在加热和淬火循环期间，可以使用合适的现有技术旋转装置(图中未显示)围绕其纵向对称轴旋转(即，自旋)轴承座圈，以均匀径向-周向加热温度分布。通过感应加热完成奥氏体化阶段后，可以就地(在加热位置)进行淬火，例如使用本领域已知的喷雾淬火装置，以淬火奥氏体化区域并形成必要的马氏体结构。在其他工艺中，淬火可以在单独的淬火位置错位(即，脱离加热位置)进行(例如，将加热的工件(轴承组件)移动到加热位置上方或下方的垂直位置)。淬火工艺步骤可以使用本领域已知的淬火设备完成。
18.从图2(a)中可以看出，由于线圈载流面和下轴承内圈表面不同区域之间的空间接近度(电磁耦合)不同，由于电磁接近效应的应用不同，将出现明显的不均匀加热分布。淬火后，这会在区域115和125中产生相应的不均匀硬化图案。在某些应用中，不均匀的硬化图案表现为硬度层深度逐渐降低。在其他应用中，不是区域的硬度图案的逐渐变化，而是波状硬度图案区域表现出较深或较浅硬度层深度的组合。例如，在图2(a)中的局部区域115x和115y(以及图2(c)中的放大局部视图)和图2(b)中的局部区域125x和125y(以及图2(d)中的放大局部视图)中，区域115和125表现出更深的硬度层深度。相反，区域115和125在图2(a)
中的局部区域115z(和图2(c)中的放大局部视图)和图2(b)中的局部区域125z(和图2(d)中的放大局部视图)中表现出较浅的硬度层深度。在难以产生足够热源的轴承内圈区域内，试图确保所需的最小表面深度可能不可避免地与严重过热相邻局部轴承座圈区域的必要性有关联，这对硬化区域的冶金特性和轴承座圈的工程性能产生不利影响；因此，应避免过热。然而，传统设计的线圈可能不可避免地与形成不均匀的硬度图案和过度局部发热有关。
19.图3(a)至图3(c)和图4是可用于感应热处理轴承内圈的感应线圈替代现有技术配置的图解。图3(a)显示了工件(配置的轴承内圈)加载(到加热位置)和卸载(从加热位置)现有技术传统螺线管式电感器布置的示意俯视图，类似于图2(a)和图2(b)所示并在上面讨论的布置。在图3(a)和图3(b)中，虚圆示意表示轴承内圈11a的内圆周边界，实心圆表示线圈22的面对轴承内圈内圆周边界的载流面，如图3(c)中的横截面图所示。
20.在工件加载到加热位置的操作过程中，配置的轴承内圈11a的旋转纵向对称轴11a
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与螺线管型感应线圈22的纵向对称轴22a重合，以在配置的内轴承座圈(轴承内圈)11a和感应线圈22之间形成周向均匀的间隙23(图3(a))。在热处理过程的加热过程步骤开始之前，工件或感应线圈，或工件和感应线圈，沿径向(垂直于轴承内圈和纵向对称的感应线圈轴)移动，导致轴承内圈和感应线圈之间的右侧间隙24较小，而相对左侧的间隙25较大。由于该运动，与均匀间隙23相比，较小间隙24中的轴承内圈和线圈之间的电磁耦合得到改善，并且在该较小间隙周围的轴承座圈区域中发生集中加热；否则，由于电磁接近性差，这些轴承座圈区域会产生热量不足。然而，经过该运动，另一相对侧将表现出更大的间隙25。因此，在这种方法中，间隙24小于间隙25，这有助于在轴承座圈区域内产生更均匀的硬化图案，如图3(c)所示，但代价是在轴承座圈相对的水平区域的较大间隙25内产生较差的电磁耦合。在使用传统旋转装置的热处理工艺中的加热过程步骤中，将配置的轴承内圈旋转(即，使用旋转装置旋转)，以均匀圆周温度分布区域11aa和11bb。在热处理过程中完成奥氏体化步骤后，可以就地(即在加热位置)淬火(使用常规淬火设备)，以淬火奥氏体化区域并形成所需的马氏体结构。在其他热处理工艺中，淬火可以在专用淬火位置进行(即，将加热的工件移出加热位置)；例如，在淬火槽中，淬火槽可以位于加热位置下方，用于将加热的工件降低到槽中，或者在靠近加热位置的喷雾淬火装置中，加热的工件可以通过适当的机电转移装置转移到此位置。
21.不幸的是，图3(a)、图3(b)和图3(c)中所示的加热方法和设备并非没有缺点。一个缺点是需要至少使部件垂直移动(例如，在工件加载到加热位置和从加热位置卸载期间)和径向移动(垂直于垂直移动)。因此，需要用于垂直移动和径向移动的辅助机电传输设备，这导致热处理系统的额外成本和复杂性。此外，较小间隙24一侧的空间接近性改善(以及由此产生的电磁耦合改善)与较大间隙25的另一侧的电磁耦合恶化有关，这会恶化热处理工艺敏感性(具有潜在的硬度图案偏差)，并降低工件加热的电效率。
22.图4是现有技术的替代感应线圈(电感器)的示意图。在图4中，弧形电感器40(在本领域中也称为发夹电感器)显示在三个互连段中，如交叉阴影所示。电感器40包括：加热段41；返回电流段43；和互连段42。磁通量集中器44(如点画阴影所示)位于加热段41和返回电流段43之间。所有三个电感器段以电气方式串联，并连接到交流电源(图中的ac ps)。磁通量集中器44在加热段41和返回电流段43之间提供电磁去耦，以将在加热段41中流动的电流的最大密度移向加热段的外表面41a，当轴承内圈处于加热位置时，该外表面41a将面对配
置的轴承内圈区域(未示出)。图4所示的发夹式电感器40的设计改善了电感器和工件轴承内圈之间的电磁耦合，并且在某些应用中简化了实现所需硬度图案的过程。工件(即具有轴承内圈轴承特征的轴承部件)在加热过程步骤和淬火过程步骤中旋转，以均匀轴承内圈周围的周向温度分布。
23.弧形电感器40提供了一定的工艺灵活性。然而，它并非没有图示的先前设计的已知缺点，例如在图3(a)至图3(c)中的，这包括能源效率低和感应加热设备必须能够提供两种运动(垂直运动和径向运动)，以便在加热过程步骤中具有足够接近轴承座圈的线圈定位，而不会阻碍复杂的几何形状，例如如图1(b)所示配置的轴承内圈部件100内的轴承内圈区域103。此外，插入(夹在)承载相反方向流动的电流的两个线圈段41和43之间的磁通量集中器44(图4)可作为具有磁饱和和过热倾向的电负载，这将降低感应加热系统的整体可靠性。
24.鉴于现有技术，本发明的一个目标是提供一种电感应加热系统和方法，该系统和方法在感应加热应用中处于冶金硬化的加热位置时，在感应加热线圈和轴承部件的轴承特征(例如轴承滚道表面区域)之间提供更紧密的电磁耦合间隙，这将产生比现有技术更高的能效和更好的硬度图案控制。
25.本发明的另一个目标是提供一种电感应加热系统和方法，用以具有轮廓状硬化图案的轴承特征，轴承特征包括内和外轴承座圈(内圈和外圈)，在奥氏体化过程中，尺寸和形状变形最小，降低最大和峰值温度，以产生冶金学上良好的微观结构，并降低热处理过程中轴承座圈开裂的可能性。
26.本发明的另一个目标是提供一种电感应加热系统和方法，其提供了轴承组件上多个轴承特征的同时热处理，其中多个轴承特征和轴承组件的不同几何形状不适合多个轴承特征在单个感应线圈附近放置，以便对多个轴承特征和/或多个轴承部件高效的同时热处理。


技术实现要素：

27.在一个方面，本发明是一种电感应热处理设备和方法，用于冶金硬化轴承工件的一个或多个选定轴承特征(例如，内或外轴承座圈的一个或多个区域)，具有连接到交流电源的组合主电感器电路和无源电感电路，其中主电路和无源电路的组合彼此电磁耦合而无需物理和电气连接，以形成互补的主电感器线圈和无源电感器线圈的至少一个对，所选轴承特征定位在互补的线圈对周围，使所选轴承特征与互补线圈对产生的磁场耦合，感应加热至奥氏体化所选轴承特征，并随后淬火，以转换奥氏体化所选特征的冶金性能。
28.在另一方面，本发明包括轴承工件电感应热处理设备和方法，其中轴承工件具有至少两个用于冶金热处理的轴承特征，在本发明的一些实施例中，这些轴承特征被未经热处理的轴承特征彼此分隔。在本发明的一些实施例中，对具有单个轴承特征的轴承工件进行冶金热处理，例如，图1(c)中具有单个连续轴承特征的轴承工件。该设备和方法包括主电感器电路和无源电感器电路，其中主电感器电路和无源电感器电路在物理上彼此分离，并且它们之间没有物理电气连接。主电感器电路被供应有从电源到主电感器电路导体网络的主电路交流电，主电感器电路导体网络具有至少一个主加热电感器，该主加热电感器配置为：在轴承工件淬火之前进行第一轴承特征感应加热；和主电路电磁耦合器。无源电感器电
路包括无源电感器电路导体网络，该无源电感器电路导体网络具有至少一个无源加热电感器，该无源加热电感器配置为在轴承工件淬火之前进行第二轴承特征感应加热，以及无源电路电磁耦合器。主电感器电路和无源电感器电路被移动到彼此相邻的工件加热位置。在本发明的一种工艺应用中，主感应器电路和无源感应器电路位于工件加热位置，所述至少一个主加热电感器和所述至少一个无源加热电感器分别配置为：通过所述主电路交流电的主电路流感应加热所述第一轴承特征，并且同时通过主电路电磁耦合器和无源电路电磁耦合器之间的所述主电路交流电的磁通耦合所感应出的无源电流流动感应加热所述第二轴承特征。
29.在至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征的感应加热完成后，轴承工件根据特定应用的要求进行淬火，例如，或者在工件加热位置使用与至少一个主加热电感器、所述至少一个被动加热电感器、所述至少一个主和被动加热电感器集成的淬火装置进行淬火，或者利用布置在远离工件加热位置的一个或多个淬火装置位置处的淬火装置进行淬火。
30.本说明书和所附权利要求书阐述了本发明的上述和其他方面。
附图说明
31.以下简要概述的附图是为了示例性地理解本发明，并且不限制本说明书和所附权利要求书中进一步阐述的本发明。
32.图1(a)是一种轴承特征的侧面透视横截面图，即轴承部件中配置的轴承内圈，该轴承部件被描述为轴承工件100，通常用于汽车动力系统和传动系的重载轴承以及其他重载应用。
33.图1(b)是图1(a)中轴承工件100中配置的轴承内圈的正视横截面图，图示了纵向(沿纵轴l)间断硬度图案，其中包含两个周向硬化纵向区(或区域)101和102，由周向非硬化纵向区域103分隔。
34.图1(c)是轴承工件100中配置的轴承内圈的正截面图，图示了周向非间断纵向硬度104，它是图1(b)中纵向间断硬度图案的替代。在图1(c)中，轴承特征，即配置的轴承内圈区域101和102(即轴承滚柱接触面)，将与轴承内圈各区域之间的圆周纵向区域103一起感应硬化。
35.图1(d)和图1(e)是轴承工件100
′
中配置的轴承外圈的透视图。
36.图1(f)、图1(g)、图1(h)和图1(i)是轴承组件400的配置轴承外圈的横截面图，示出了四种可选的硬化图案(区或区域)403、404、405和406(如交叉阴影所示)，它们可在替代电感应硬化过程中形成，如在替代应用中可能需要的。
37.图1(j)是轴承工件100”中配置的轴承内圈的侧面透视横截面图，该轴承工件100”通常用于汽车动力系和传动系的重载轴承，以及其他重载应用，显示的轴承座圈区域具有相同的几何形状和均匀(非常理想)的硬化图案101”和102”。
38.图1(k)是图1(j)所示配置轴承内圈的横截面正视图，示出了间断硬化图案，其中包含两个硬化区101”和102”，由非硬化区(或区域)103”分隔。
39.图2(a)是配置的轴承内圈的横截面图，示出了使用现有技术感应加热设备在加热位置的各种硬化图案(在交叉阴影区106和115中)，该感应加热设备包括具有线圈匝数301
和302的螺线管式双匝电加热电感器以及相关的磁通集中器203和204。在图2(a)中，线圈匝301围绕区域106进行加热，线圈匝302围绕区域115进行加热。每个线圈匝可以串联或并联在一起，由适当连接的电源向线圈提供交流电，瞬时电流在线圈匝中以相同或相反方向流动。
40.图2(b)是配置的轴承内圈的横截面图，示出了在加热位置使用现有技术感应加热设备的轴承内圈的替代几何形状和硬化图案(包括交叉阴影区125和126)，该感应加热设备包括带有线圈匝301和302的螺线管式双匝电加热电感器，以及相关磁通集中器203和204。每个线圈匝可以与适当连接的电源提供的交流电串联或并联在一起，交流电在线圈匝中以相同或相反方向流动。
41.图2(c)和图2(d)分别是图2(a)和图2(b)所示选定硬化图案的放大图。
42.图3(a)和图3(b)是用于热处理轴承内圈的感应加热过程的示意图，概念性地显示了感应器和轴承工件的轴承内圈11a之间均匀和非均匀的圆周间隙距离，如被加热内座圈的虚线圆边界所示。图3(a)示出了在电感器22内加载轴承工件的轴承内圈11a的过程步骤中“工件到线圈”相互定位的示例，电感器和被加热的轴承内圈之间具有均匀的圆周间隙距离23。图3(b)示出了在非均匀周向电磁耦合距离24和25下，在加热电感器22内轴承工件的轴承内圈11a的处理步骤期间“工件到线圈”相互定位的示例。图3(c)示出了得到的圆周均匀硬化图案11aa和11bb，假设在使用常规工件旋转装置(图纸中未显示)感应加热期间，工件绕轴50旋转(即自旋转)足够快。
43.图4是现有技术弧形电感器40(也称为发夹电感器)的示意图，可用于对配置的轴承内圈进行热处理。
44.图5(a)至图5(d)图解说明了本发明电感应加热系统的一个实施例，显示了主电感器电路(图5(a))和无源电感器电路(图5(b))。图5(c)和图5(d)是工件(轴承部件)加热位置中主感应器电路和无源感应器电路的替代的透视图。为了清楚起见，未显示轴承内圈(轴承特征)和淬火装置。箭头表示加热系统中的相对瞬时电流方向。图5(c)示出了这种布置在无源电感器220中产生的瞬时电流方向，与主电感器210中的瞬时电流方向相反。为了获得图1(b)所示的间断硬化图案，通常首选电流的这种方向。
45.图5(e)是替代无源电感器电路的示意图，可与图5(a)所示的主电感器电路一起使用，以产生无源电感器220
′
中瞬时电流的方向，该方向与主电感器电路中有源线圈210(图5(c))中的瞬时电流的方向相同。这种电流方向通常用于获得图1(c)所示的非中断硬化图案。
46.图5(f)和图5(g)示出了在本发明的一个实施例中，当图5(a)中的主电感器电路与图5(b)中的无源电感器电路组合时，与另一个实施例中，图5(a)中的主电感器电路与图5(e)中的无源电感器电路组合时相比，无源电感器线圈中实现的替代瞬时交流电方向。
47.在本发明的一些实施例中，主加热电感器和无源加热电感器配置用于主电路交流电和无源电路交流电的反向瞬时电流流动。
48.图6(a)示出了当主电感器电路与无源电感器电路分离时，例如，当待热处理的轴承工件在主电感器电路和无源电感器电路中分别互补的一对主电感器和无源电感器内被加载到加热位置或从加热位置卸载时，主电感器电路的主电磁耦合区域230和无源电感器电路的无源电磁耦合区域240。主电磁耦合区域和无源电磁耦合区域交替地分别称为主磁
通耦合器和无源磁通耦合器。
49.图6(b)示出了当主电感器电路被带到工件加热位置时，主电感器电路的主电磁耦合区域230和无源电感器电路的无源电磁耦合区域240，其中有源和无源电磁耦合区域由间隙205隔开，以将有源电感器电路与无源电感器电路电分离，而当向主电感器电路提供交流电时，主电感器电路和无源电感器电路电磁耦合。在工件(轴承部件)加热位置，主磁通耦合器布置在无源磁通耦合器附近，并与无源磁通耦合器物理分离(在图6(b)的示例中通过间隙205)。
50.图7(a)和图7(b)在横截面中示出了主和无源电气总线网络的形式和组成的替代实施例，图7(a)示出了包括铜管的每个总线网络，图7(b)示出了夹在主和无源电磁耦合区域内的矩形铜条，处于工件加热位置时，这些区域由相应的间隙205a(图7(a))和205b(图7(b))隔开。间隙可以是气隙或填充有介电材料。与图7(a)所示的布置相比，图7(b)所示的布置通常更可取，因为有源和无源电路之间的电磁耦合更好。主电导体网络和无源电导体网络交替地分别称为主电感器电路总线网络和无源电感器电路导体网络。
51.图8(a)至图8(d)图解说明了本发明方法的一个实施例，该方法用于感应热处理轴承部件的轴承特征，例如内座圈或外座圈，其中，当感应加热设备在轴承特征加热完成后仍处于加热中(加热)位置时，执行淬火处理步骤。
52.图9(a)至图9(d)图解说明了本发明方法的另一个实施例，该方法用于感应热处理轴承组件的轴承特征，例如内座圈或外座圈，其中淬火过程步骤是通过将至少无源电感电路的无源电感线圈与轴承特征浸入淬火剂槽中来执行的。在本实施例中，无源电感器线圈电路的相应部分用作支撑(嵌套)，以在淬火处理步骤期间将热处理轴承特征固定到位。
53.图10(a)至图10(d)图解说明了本发明方法的另一个实施例，用于感应热处理轴承工件上的轴承特征，例如轴承内座圈或外座圈，其中，当轴承工件上的轴承特征在装配(加热)位置感应加热后，在轴承工件仍在感应加热设备中时，淬火过程步骤开始(图10(b))，并且随着具有加热轴承特征的轴承工件与无源电感电路中的无源加热电感线圈220转移(图10(c))到淬火槽(图10(c))时，淬火过程继续，淬火过程在淬火槽中完成。
54.图11(a)和图11(b)图解说明了本发明方法的另一个实施例，用于感应热处理轴承部件的轴承特征，例如轴承内座圈或外座圈，其中，至少两个单独轴承部件(工件)上的轴承特征同时加热，并在同时加热完成后与后续淬火工艺步骤相结合。
55.图12(a)示出了本发明的感应加热设备，其中两个单独的轴承部件(工件)可以同时加热，并用于图11(a)和图11(b)所示的方法。
56.图12(b)部分放大详说明了图12(a)所示感应加热设备的一端。
57.图13是本发明的一个实施例，其中感应加热设备位于垂直定向的旋转台附近，在该旋转台上可以装载多个单独的工件，例如，在预先加热后；旋转至热处理位置，并加载在感应加热设备中，以对轴承特征进行热处理；并旋转至淬火处理位置。
58.图14(a)是在图16(a)和图16(b)中轴承部件(工件)加热位置所示的配置感应热处理设备800的配置无源电感器组件800b的透视图。
59.图14(b)是图14(a)所示无源电感器组件的顶部平面图。
60.图14(c)是图14(a)所示无源电感器组件的侧截面图。
61.图15(a)是感应热处理设备800的配置主感应器组件800a的透视图，如图16(a)和
图16(b)中的轴承部件(工件)加热位置所示。
62.图15(b)是图15(a)所示主电感器组件的顶部平面图。
63.图15(c)是图15(a)所示主电感器组件的侧截面图。
64.图16(a)和图16(b)是电感应热处理设备800的一个示例的备选透视图，其中无源感应器组件800b(图14(a))和主感应器组件800a(图15(a))配置在工件加热位置，用于工件轴承特征(例如轴承内座圈)的电感应加热。
65.图17(a)示意性地示出了另一种分离式多线圈电感应热处理系统，用于同时加热轴承部件的一个或多个特征，该轴承部件配置有两个独立的主电感电路，分别由单个电源的单独锁相输出供电，图17(b)和图17(c)分别示出了同相和异相输出电流。
66.图18图解说明了另一种分离式多线圈电感应热处理系统，用于同时加热轴承部件的一个或多个特征，该轴承部件配置有两个独立的主电感电路，由单个电源供电，单输出馈电变压器的初级侧，两个次级输出分别馈电一个独立的主电感器电路。
具体实施方式
67.参考附图，其中相似的数字表示相似的元件，图5(a)至图5(d)中以示意方式示出了本发明的一个实施例，其具有主电感器电路200a和无源电感器电路200b，可以组装以感应热处理内轴承座圈(轴承内圈)、外轴承座圈(轴承外圈)或轴承部件的其他轴承特征，例如在使用滚动元件、轴承、滚道或环的重载应用中使用的，包括轴承部件结构复杂的动力传动系统应用、传动系应用和车轮组件。轴承组件在本文中可替代地也被描述为轴承工件。
68.如图5(c)或图5(d)所示，主电感器电路和无源电感器电路形成组装的轴承工件电感应热处理设备200，其中，当主电感器组件上的主电感器电路和无源电感器组件上的无源电路处于同一轴承部件加热位置时，如图5(c)或图5(d)中所示，可以利用分别在主电感器电路和无源电感器电路中为两个或多个不同的轴承特征中每一个分别配置的主加热电感器和无源加热电感器，同时对选择的轴承特征进行热处理。因此，设备200也可以被描述为具有分体式电感器组件的分离式多线圈(主加热电感器和无源加热电感器)，用于同时加热轴承组件上的多个轴承特征，其中分离式电感器组件由主电感器组件上的主电感器电路和无源电感器组件上的无源电感器电路形成。
69.在本发明的图示实施例中，主电感器电路200a包括主加热电感器210，主加热电感器210由以下部分组成：第一单匝电感线圈，用于感应加热要在轴承部件上同时热处理的第一轴承特征；一个或多个主电路磁通耦合区域230，形成主磁通耦合器；以及主电感器电路电源端子6a和6b，以上所有主电路组件通过主电感器电路导体网络201进行电气互连，以形成一个串联主电路，主电路组件的所有组件以物理和电气方式串联，但主磁通耦合器除外，该主磁通耦合器在主电感器电路中不以物理方式连接，并通过气隙或电介质材料间隙隔开。主磁通耦合器位于主电感器电路导体网络201附近并在物理上与主电感器电路导体网络201分离，以在交流电在主电感器电路中流动时耦合来自主电感器电路的磁通。主电感器电路电源端子6a和6b将主电感器电路200a连接到适当的交流电源(图纸中指定的交流电源(ac power source))。交流电源可以从本领域已知的中频或高频电源中为特定应用选择，用于轴承特征的选择性热处理，并且可以从感应热处理设备所在的公用事业电源提供输入电源。电源的典型额定功率范围为30kw至500kw，工作频率为1khz至180khz，取决于：规定硬
化层深度的要求；热处理轴承特征的几何形状；形成轴承工件的加热金属材料的质量和生产率(每个热处理轴承特征的循环时间)。所选电源的单相双导体输出直接连接到主电感电路电源端子6a和6b：直接连接；或通过电源总线网络；或通过负载匹配变压器，具体取决于电源配置和电源的负载匹配能力。
70.在图5(b)至图5(d)所示的本发明实施例中，无源电感器电路200b包括无源加热电感器220，无源加热电感器220由以下部分组成：第二单匝电感线圈，用于感应加热要在轴承组件上同时进行热处理的第二轴承特征；以及一个或多个无源电路磁通耦合区域240，形成无源磁通耦合器。无源加热电感器220与无源电感器电路导体网络202形成物理和电气上闭环串联无源电感器电路。当装置200处于如图5(c)或图5(d)所示的加热或组装位置时，无源磁通耦合器位于无源电路导体网络202和主电感器电路导体网络201附近，并通过气隙或具有介电材料的间隙与之物理分离，以便当主交流电在主电感器电路中流动时，在无源电感电路中感应出无源交流电。
71.虽然主和无源加热电感器在图中配置为单匝螺线管线圈，但根据主加热电感器或无源加热电感器加热的轴承特征的特定配置的需要，可以在本发明的其他示例中使用其他电感器配置，例如，根据内部或外部轴承特征是否将进行热处理。
72.在本发明的其他示例中，有源加热电感器或无源加热电感器可以具有不同的配置，例如多匝线圈。此外，在本发明的其他示例中，主加热电感器或无源加热电感器可以加热多于一个的轴承特征，以便可以同时加热两个以上的多个轴承特征。
73.形成主磁通耦合器的一个或多个主电路磁通耦合区域230和形成无源磁通耦合器的一个或多个无源电路磁通耦合区域240可以可选地由以下材料形成：标准层压包；纯铁氧体；或传统的铁基或铁氧体基粉末材料，包括包含本领域已知的压制和烧结磁粉的磁性复合材料。
74.在本发明的一个实施例中，主电感器电路200a和无源电感器电路200b在装载轴承工件以用设备进行热处理的热处理工艺步骤中从轴承工件(例如，图1(b)中具有选定的多个轴承特征的轴承工件100，例如需要热处理的轴承内座圈)的相对纵向侧端选择性地放置在一起(也称为将电感应热处理设备组装到加热位置)。将设备组装到加热位置的过程步骤如图5(c)所示，其中轴l-l表示图1(b)中示例轴承工件100的中心内部纵轴l-l，为了清楚起见，该纵轴未显示在主加热感应器210和被动加热感应器220内，其中主加热感应器从顶部下降到轴承工件的上纵向侧端l-l，如运动方向箭头mc所示，被动加热感应器从底部升高到轴承工件的下纵向侧端上方，如运动方向箭头pc所示。参考图12(a)和图12(b)，其中轴承工件100位于主加热电感器210a”和被动加热电感器220b”内加热设备245的加热位置。将设备从轴承工件的相对纵向侧端组装到加热位置的这种配置，消除了主电路电感器或无源电路电感器的几何形状分别对轴承工件被无源电路电感加热的特征或轴承工件被有源电路电感加热的特征产生物理干扰的可能性。类似地，当主电感器电路200a和无源电感器电路200b通过经由轴承工件的相对纵向侧端将主电感器电路和无源电感器电路彼此分离时，来完成从热处理设备卸载(移除)热处理后的轴承工件的热处理过程步骤，如所示图5(c)中主加热电感器卸载运动箭头mo的方向和图5(c)中被动加热电感器卸载运动箭头po的方向。将具有主加热电感器210的主电感器电路和具有无源加热电感器220的无源电感器电路结合在一起并从轴承工件的相对纵向侧端l-l将它们分开的过程步骤，使得当轴承工件100已经
装载到设备中进行热处理时，主加热电感器210和无源加热电感器220能够非常接近(通常为0.5mm至6mm)到要分别由主加热感应器和被动加热感应器热处理的轴承特征，例如图1(b)中的轴承座圈区域101和102。在本例中，图1(b)所示的热处理区域101和102之间的轴承工件的较小直径的中间座圈区域103不会阻碍(干扰)将主加热电感器(线圈)和被动加热电感器(线圈)放在一起到工件加载(加热)位置，因为工件加载和卸载过程步骤期间它不需要具有图2(a)所示的足够大的径向间隙107。
75.在本发明的一些实施例中，分体式多线圈电感应加热系统包括一个分离式电感器组件定位装置，该装置配置为：随着主磁通耦合器和无源磁通耦合器的移动，将主感应器电路和无源感应器电路一起带到组装(加热)位置，并将主感应器电路和无源感应器电路与组装(加热)位置分离，如图5(c)中的箭头所示，其可以表示箭头所示运动的线性致动器。在组装(加热)位置，当第一轴承特征被定位用于利用主加热电感器进行感应加热并且第二轴承特征被定位用于利用无源加热电感器进行感应加热以同时加热第一轴承特征和第二轴承特征时，主感应器组件的主加热感应器与无源感应器组件的无源加热感应器纵向对齐，无源磁通耦合器的位置与主磁通耦合器相邻并在物理上分离。在非加热位置，主电感器组件的主加热电感器与无源电感器组件的无源加热电感器分离，用于将轴承组件定位在轴承组件加热位置，用于感应加热第一轴承特征和第二轴承特征，或在感应加热后移除轴承组件轴承部件加热位置的第一轴承特征和第二轴承特征。
76.图5(c)和图5(d)显示了主电感器电路200a和无源电感器电路200b在一起到轴承工件加热位置后的透视图，其中加载的轴承工件位于主电路电感器和无源电路电感器内。为了清楚组装的主加热电感器和无源加热电感器电路，这些图中未显示轴承工件(以及可选的加热后淬火装置)。
77.在图5(a)至图5(d)所示的本发明实施例中，主电感器电路导体网络201和无源电感器电路导体网络202被示为铜管总线，分别布置在u形主电路磁通耦合区域230和无源电路磁通耦合区域240之间。
78.当处于如图5(c)或图5(d)所示的工件加热位置时，以及当执行一个或多个热处理工艺步骤以加热位于主和被动加热电感器附近的轴承工件的轴承特征时，主电感器电路200a的元件和无源电感器电路200b的元件之间没有物理接触或电路接触。主电感器电路磁通耦合区域230相邻布置，但如图5(c)或图5(d)中的横截面细节所示，与无源电感器电路磁通耦合区域240物理间隔开间隔距离205，以将主电感器电路导体网络中的交流电建立的磁通传输到无源电感器电路。
79.图16(a)和图16(b)在替代透视图中示出了本发明配置的感应热处理设备800的一个实施例，该设备使用与图5(c)和图5(d)中所示类似的组装感应热处理设备200。配置的感应热处理设备800如图16(a)和图16(b)所示，位于轴承部件(工件)加热位置，示例性轴承工件900加载在设备中，用于同时加热轴承工件上的两个轴承特征。在该非限制性示例中，轴承部件具有需要热处理的上轴承内座圈(也称为将由主加热电感器加热的第一工件轴承特征)和需要同时热处理的下轴承内座圈(也称为将由被动加热电感器加热的第二工件轴承特征)，通过不经热处理的中心轴承工件特征彼此轴向分隔开。轴承工件900的内部，在图16(a)和图16(b)中不可见，因为工件加载在设备800的轴承部件加热位置，因此，例如，可以类似于图1(a)和图1(b)中轴承工件100的内部，其中上轴承内座圈是轴承内座圈101a；下轴承
内座圈为102a；非加热中心轴承工件特征是图1(a)和图1(b)中的区域103。配置的感应热处理设备800包括配置的主电感器组件或部分800a和配置的无源电感器组件或部分800b。
80.图14(a)至图14(c)是配置无源电感器组件800b在与配置有源电感器组件800b分离时的各种视图，例如，在轴承工件非加热位置。图15(a)至图15(c)是配置的主电感器组件800a，当与配置的无源电感器组件800b分离时的各种视图，例如在轴承工件非加热位置。在本发明的这个示例中，配置的无源电感器组件800b可选地称为下部电感器组件，配置的主电感器组件800a可选地称为上部电感器组件，以便于描述位置方向，但不是限制形成感应热处理设备800的无源电感器组件和主电感器组件的取向方向。
81.配置的主电感器电路800a包括：主加热电感器710，在本非限制性示例中由第一单匝感应线圈形成，安装在心轴420a的下端周围和附近；形成主电路磁通耦合器的主电路磁通耦合区域730a和730b；以及由电绝缘材料7分隔的主电感器电路电源端子6a和6b；所有这些组件都与主电感器电路导体网络701相关联。主电感器电路电源端子6a和6b将主电感器电路800a连接到适当的交流电源(图纸中指定的交流电源ac power source)。主加热电感器配置用于感应加热待热处理的第一工件轴承特征。在本发明的一些实施例中，心轴420a被称为淬火心轴，如下所述。
82.配置的主电感器电路800a还包括可选的上部主磁通集中器203a，其呈环形，布置在淬火芯轴420a周围的主加热电感器710上方，以及布置在主加热电感器下方的可选下部主磁通集中器204a，用于将感应加热磁通量引导到由主加热感应器710加热的第一轴承工件特征。
83.配置的主电感器电路800a还包括辅助主电感器电路强制液体冷却介质系统的组件，主电感器电路冷却介质由供应冷却管425a和回流冷却管425b提供，并在主电感器电路导体网络701中的中空内部通道中循环。
84.在此非限制性示例中，配置的主电感器电路800a包括可选的集成淬火装置，即淬火芯轴420a，其淬火通道未在图中显示，该通道在工件加热位置向轴承工件的热处理特征供应淬火剂，淬火剂通过淬火芯轴上端附近的淬火供应端口421a和421b供应。
85.配置的主电感器电路800a还包括一个或多个主电感器电路支撑结构，如配置的主电感器电路的特定布置所需。在图中所示的示例中，配置的感应热处理设备800包括但不限于将淬火心轴420a保持在适当位置的支撑夹块420b；支撑立管420c；和可调支撑桥420d。
86.配置的无源电感器电路800b包括：无源加热电感器720，在本非限制性示例中由第二单匝感应线圈形成，安装在支撑柱410a(也称为垂直定向支撑结构)的上端周围和附近；形成无源电路磁通耦合器的无源电路磁通耦合区域740a和740b；所有这些组件都与无源电感器电路导体网络702相关联，该网络也称为无源电感器总线网络，并形成电闭环无源总线网络。无源加热电感器被配置用于感应加热待热处理的第二工件轴承特征。
87.配置的无源电感器电路800b还包括可选的上部无源磁通集中器203b，其呈环形，并布置在支撑柱410a周围的无源加热电感器720上方，以及可选的下部无源磁通集中器204b，布置在主加热感应器下方，以将感应加热磁通引导到由无源加热感应器720加热的轴承工件特征。
88.本发明图示实施例中配置的无源电感电路800b还包括辅助无源电感器电路强制液体冷却介质系统的组件，无源电感器电路冷却介质由供应冷却管406a和回流冷却管406b
提供，并通过无源电感器电路导体网络702中的中空内部通孔中循环。
89.配置的无源电感器电路800b还可以包括一个或多个无源电感器电路支撑结构，取决于配置的无源电感器电路的特定布置所需。在图中所示的示例中，配置的感应热处理设备800包括但不限于支撑柱410a(也称为垂直定向支撑结构)；无源电路电感器安装座410b；无源电路支架410c。
90.在将轴承工件装载到设备进行热处理的热处理工艺步骤中，配置的主电感器电路800a和无源电感器电路800b可以从轴承工件(例如轴承工件900，具有选择的需要热处理的轴承内圈的多个特征)的相对纵向侧端放置在一起(也称为组装电感应热处理设备)。从轴承工件的相对侧端组装设备，消除了主电路电感器或无源电路电感器的几何形状分别对将由无源电路电感器加热的轴承工件的特征或由有源电路电感器加热的轴承工件的特征产生物理干扰的可能性。类似地，在热处理后从热处理设备卸载(移除)轴承工件的热处理过程步骤是通过将配置的主电感电路和配置的无源电感电路从轴承工件的相对纵向侧端彼此分离来完成的。在本发明的一些实施例中(例如，如图9(a)至图9(d)和图10(a)至图10(d)所示)，配置的无源电感器电路800b与配置的主电感器电路800a分离，但不与轴承工件分离(图9(c)和图10(c))，轴承工件位于无源电感器中，与无源电感器在本领域中已知的称为电介质套的结构中介电绝缘。只有在淬火循环完成后，轴承工件才会最终从配置的无源电感电路800b中移出。将主电感器电路和无源电感器电路从轴承工件的相对纵向侧端合在一起和分离的过程步骤，允许将主加热电感器710和无源加热电感器720放置到紧密靠近轴承特征，以分别由配置的主加热电感器和无源加热感应器热处理。在图5(a)至图5(d)所示的本发明实施例中，主电感器电路导体网络201和无源电感器电路导体网络202被示为布置在u形主电路磁通耦合区域230和无源电路磁通耦合区域240之间的铜管总线。
91.当配置的主电感器电路800a的组件和配置的无源电感器电路800b的组件处于工件加热位置时，例如，在图16(a)或图16(b)中，当执行一个或多个热处理过程步骤时，配置的主电感器电路800a的组件和配置的无源电感器电路800b之间没有物理接触或电路接触。配置的主电感器电路磁通耦合区域730a和730b相邻布置，但如图16(a)和图16(b)所示，与配置的无源电感器电路磁通耦合区域740a(在附图中隐藏)和740b物理间隔一间隔距离705，以将主电感器电路导体网络701中的交流电建立的磁通传输到无源电感器电路导体网络702。在本发明的一些实施例中，电绝缘体放置在磁通耦合区域730a和730b之间，和/或磁通耦合区域740a(在附图中隐藏)和740b之间和/或主电感器701和无源电感器702网络之间。
92.本发明的轴承工件电感应加热设备，例如，配置的感应热处理设备800，可以通过移动配置的主电感器电路，或配置的无源电感器电路，或配置的主电感器电路和无源电感器电路二者一起，在彼此远离的方向(或多个方向)上相对彼此移动来在工件加热位置之间移动，如图16(a)或图16(b)所示，以便它们彼此分开以及和负载轴承工件(例如图16(a)或图16(b)中的轴承工件900)分离。作为示例而非限制，用于从图16(a)或图16(b)所示的工件加热位置加载或卸载轴承工件的配置主电感器和无源电感器电路之间的分离运动(图中未显示合适的工件机电传输设备)可以通过特定应用所需的配置用于定向运动的一个或多个合适的机电线性或旋转致动器来实现。
93.在使用图14(a)至图16(b)所示的电感应热处理设备800完成加热循环和选定轴承
工件特征的适当奥氏体化后，热处理工件轴承特征的淬火可以使用与加热设备集成的淬火设备或布置在远离加热设备位置的淬火设备来完成，如本文所述或本领域其他已知的设备。
94.图7(a)和图7(b)在横截面图中示出了图6(b)中所示的主电路和无源电路磁通耦合区域230和240(磁通集中器)，当在以下应用中可选使用：(1)主电感器和无源电感器总线网络由插入(也称为“三明治”)图7(a)中电磁耦合区域230a和240a之间的导电管201a和202a(例如铜组合物)形成；或(2)主和无源电感器总线网络由插入空气间隙或介电材料间隙中的图7(b)中电磁耦合区域230b和240b之间(也称为“三明治”)的导电矩形条201b和202b(例如铜母线)或矩形管(未显示)形成。最常用的是图7(b)中所示的矩形铜母线。
95.图7(a)中的示意性加热位置间隔气隙205a和图7(b)中的205b足够大，以防止主电感器电路200a的元件和无源电路200b的元件之间发生电弧或短路。虽然空气不是优选的电介质材料，但在本发明的替代实施例中，气隙可以用作足够的电介质或加热位置间隔间隙205a或205b可以填充本领域已知的传统电介质材料，以电隔离电导体。此类传统介电材料包括介电带、陶瓷涂层或本领域已知的其他电隔离材料。
96.图7(a)中的间隔气隙205a和图7(b)中的间隔气隙205b不应太大，以免对主电感器电路200a和无源电感器电路200b之间的电磁耦合产生负面影响。通常，但不受限制，间隔气隙205a和205b(图7(b))的大小在0.5mm到6mm的范围内，这取决于频率、电流大小以及工作环境的条件(例如但不限于湿度、湿气和导电粉尘的存在)。
97.参考美国专利号6,274,857和美国专利号6,859,125的教导，关于特定应用的主电路和无源电路磁通耦合区域230和240的制造特征，包括磁通耦合的适当几何形状的选择和将其保持在适当位置的方法，以及选择适当尺寸的间隔气隙205。
98.在本发明的一个实施例中，在加载具有一个或多个感应加热特征的工件并将本发明设备的主感应线圈和无源感应线圈定位在加热位置后，如图5(a)和图5(b)所示，连接到电路电源端子6a和6b的交流电源通电，以启动主电感器电路中的交流电。主电路和无源电路磁通耦合区域230和240在通电的主电感器电路和电短路的无源电感器电路之间提供电磁耦合，类似于变压器铁芯绕组之间的效应。由于主电路和无源电路磁通耦合区域，主电路电感器中流过的交流电流将会瞬时(实际上讲)产生在闭环无源电路中流动的电流，类似于电力变压器初级绕组和次级绕组中的电流。
99.如图5(c)中的箭头所示，无源电感器电路200b中感应的瞬时交流电的方向将与主电感器电路中流动的源电流的方向相反。然而，取决于替代的电路连接，在主电路200a的主感应线圈210和无源电感电路200b的无源感应线圈220中流动的交流电可以朝向相反的方向或相同的方向。例如，图5(a)至图5(c)中所示的主电路和无源电路连接在无源电感电路的无源感应线圈220中产生交流电，该交流电瞬时指向与主电路的主感应线圈210中的线圈电流相反的方向。这种相对反向电流的定向有利于获得如图1(b)、图1(j)和图1(k)所示的硬化图案，这些硬化图案是大多数轴承内圈最常见的理想硬度图案，例如在汽车应用中。相反，如果理想的硬度图案如图l(c)所示，那么，有益的是改变无源电感电路的电路布置，使流入无源感应线圈220的瞬时线圈电流方向与由连接的电源提供并流入主感应线圈210的主电感电路电流方向相同。这种连接的一个可能示例如图5(e)所示。图5(f)和图5(g)说明了无源电感电路的无源感应线圈中的替代瞬时电流。图5(f)示出了图5(b)和图5(c)所示电
路的具有无源感应线圈220的无源电感电路200b的交流电流瞬时方向。图5(g)示出了图5(e)中所示的无源感应线圈220’的无源电感电路200b’的交流电瞬时方向。不管在图5(f)和图5(g)所示的无源电路202中流动的电流具有相同的瞬时方向，在无源感应线圈220’(图5(g))中流动的电流的方向与在无源线圈220(图5(f))中流动的电流的方向相反。
100.用于本发明感应热处理设备实施例的典型设计应用，主电感器电路200a和无源电感器电路200b之间的充分电磁耦合，从交流电源供应到电源端子连接6a和6b的主电感器电路200a的主感应线圈210中流动的电流与无源电感器电路200b的无源感应线圈220中感应的电流之间的差可以小于10％，并且可以通过对有源感应线圈210和无源感应线圈220的线圈加热面的几何形状进行轮廓分析(例如，通过对铜几何形状进行轮廓分析)来进一步补偿该差。在本发明的一些实施例中，提供比主感应线圈到工件间隙小0.25mm到2mm的无源感应线圈到工件间隙足以补偿在主感应线圈210和无源感应线圈220中流动的电流幅值的差异。在本发明的其他实施例中，将轴承座圈策略性地定位在加热位置是有益的，以便轴承座圈区域的较低质量区域将由位于无源电感电路中的无源感应线圈加热。例如，与图2(a)中的区域106相比，图2(a)中的区域115具有更小的需要热处理的金属质量；因此，在加热位置，有益的是，定位无源电感电路的无源感应线圈220(电流幅值较低)以加热较小质量区域115和定位有源电感电路的主感应线圈210(电流幅值较高)以加热较大质量区域106。
101.在图2(a)所示的示例性情况下，仅用于说明，水冷圆铜管用于线圈制造。在其他情况下，线圈可以通过以下可选方式形成：cnc数控加工实心铜块；钎焊合适的铜组件；或模压成型线圈匝的成型加热面，以适应轴承内圈115或线圈的几何形状，或者可以使用增材制造技术来制造，如3d打印。
102.传统磁通集中器203和204可用于提高加热效率，并集中两匝线圈的每匝301和302产生的磁场，用于加热轴承内圈。磁通集中器通常由标准层压包、纯铁氧体或传统铁基或铁氧体基粉末材料(如磁性复合材料)制成，其中包含压制和/或烧结的磁粉。
103.图5(a)至图5(d)所示的本发明线圈配置允许在加载和卸载期间具有最小可能的感应线圈至工件的间隙，而不受与较小直径区域103(例如，如图1(b))的障碍相关的任何限制。与已知的现有技术相比，本发明在感应线圈和工件表面之间提供了更紧密的耦合间隙，从而实现了高能效、更好的硬度图案控制，还允许获得尺寸和形状变形最小的轮廓状硬化图案，降低了奥氏体化过程中的最高温度和峰值温度，以及产生冶金良好的微观结构，降低轴承座圈在热处理和操作期间开裂的可能性。
104.根据特定应用的需要，本发明的感应热处理设备和方法可替换地布置在垂直或水平方向上。在本设备和方法的垂直布置的应用中，无源电路200b(包括感应线圈220)可以与要热处理的轴承座圈所在的支撑座(例如工件搁置结构(巢))组合提供。在这种垂直布置中，位于基座上的轴承座圈可以提高(提升)到加热位置，并在热处理循环中保持在加热位置，如图8至图10所示。
105.根据本发明的一种可能的设计，主电路200a(图5(a))的感应线圈保持静止，轴承座圈100(图1(a))在被定位在基座上(或在作为包括感应线圈220的无源电路200b的一部分的搁置巢之上)之后移入和移出加热位置。由于无源电路200b代表一个闭环电气系统，它可以自由进出加热位置，因此无需携带高电流的电力连接电缆与无源电路200b一起移动。将工件移入和移出加热位置的机构可以是液压、气动或电动。
106.根据本发明的另一个设计概念，主电路200a的感应线圈210可移动进出加热位置，但轴承座圈100不沿轴向移动。
107.根据轴承座圈表面的硬度图案规格和几何形状要素，可以使用标准方法在加热循环期间旋转(自旋转)轴承座圈。本领域中已知的用于中小型工件的传统提升旋转配置可以提供低成本机器选项。气缸可以将工件轴承座圈提升到工作位置，电机开始旋转零件。作为一种选择，可以使用可调硬挡块进行零件定位。在这种情况下，固定卡盘或夹紧块可以将轴承座圈固定在加热位置，同时在加热期间仍允许其旋转，并且在其旋转期间无需静止在底座上。
108.在本发明的其他实施例中，工件轴承座圈100在加热过程中保持静止，如本文所公开的。
109.传统设计的单匝线圈有一个区域，在该区域不可避免地会发生磁场畸变，从而导致那里的一些热强度降低。该区域与从电源传输电流的铜母线连接到感应线圈的区域有关(所谓的极化线圈电源引线区域)。导致热强度降低的物理现象称为电磁场边缘效应(也称为鱼尾效应)，并已在文献中解释，例如induction heating handbook(感应加热手册)。加热期间的工件旋转有助于消除(实际上)分割区域的热亏损。如果工件轴承座圈是静态加热的(不旋转)，仍然可以将那里的热强度偏差降到最低。业界已经开发了各种标准方法，通过适当的线圈铜轮廓，使用单匝线圈，有效控制和补偿静态感应加热应用中的场边缘效应。在单匝线圈的分割区域改进的电磁耦合(接近效应)补偿了磁场边缘，消除了旋转加热工件的需求。在众多出版物中，包括美国专利号6，274,857中，已经公开了在线圈分割区域附近进行场强补偿的那些技术，并且可以在轴承座圈100静态加热而不旋转的情况下用于本发明。
110.在完成加热循环和适当的奥氏体化后，可以使用适用于所选液体淬火剂的常规淬火技术，或在钢具有足够淬透性的情况下，通过将替代淬火介质应用于液体淬火介质(如强制空气淬火或气体淬火)，就地或异地淬火轴承座圈。
111.图8(a)至图8(d)图解说明了本发明轴承座圈热处理方法的一个实施例。所示方法中使用的电感应加热设备例如由主电感器电路200a(图5(a))和无源电感器电路200b(图5(b))形成。在将要热处理的轴承座圈加载到加载和卸载安装底座或夹具(图中未示出)上后，该夹具将未热处理的轴承座圈定位在主电感器电路200a的主电感器线圈210的内部或外部周围(取决于轴承座圈是内圈还是外圈)，图8(a)中加热设备处于分离(座圈负载位置)的情况下，将整个无源电感器电路200b(包括无源线圈220、无源电路磁耦合器240和无源总线网络202)提升到图8(b)所示的座圈加热位置。在座圈加热位置，主电路和无源电路电磁耦合器230和240彼此靠近放置，并围绕由铜电导体形成的主总线网络201b和无源总线网络202b(参见图5(a)到图5(c))的相应段，以在通过与交流电源(to ac ps)的连接向主电感器电路200a供电时，产生电磁链路250(在图8(b)中以虚线椭圆区域示出)。在图8(b)所示的过程步骤中，线圈210和220位于其各自的加热位置，以开始所需轴承座圈区域的加热循环，例如，如果被加热的轴承座圈是图1(b)所示的轴承座圈100，则所需区域为图1(b)中的轴承座圈区域101和102。加热循环完成后，主电感器电路200a断电，主电感器和无源电感器电路将断电，此时，喷雾淬火循环立即开始或在短时间延迟(也称为浸泡时间)后开始，用于淬火加载在图8(c)所示加热装置中的轴承座圈区域，其中可以使用传统喷雾淬火装置71(例如，喷雾淬火块或液体淬火剂喷雾器)。根据轴承座圈的几何形状和所需的硬度图案，短的淬火时
间延迟有助于获得合适的热轮廓分布。淬火延迟通常不超过5秒。喷雾淬火循环完成后，热处理轴承座圈(图中未显示)和整个无源电感器电路200b如图8(d)所示降低至轴承座圈卸载位置，在该位置，热处理轴承座圈从基座卸载。在连续的顺序轴承座圈热处理过程中，将随后未经热处理的轴承座圈加载到基座上，并重复图8(a)至图8(d)中所述的上述感应热处理过程。
112.图9(a)至图9(d)图解说明了本发明轴承座圈热处理方法的另一个实施例，类似于图8(a)至图8(d)中所述方法的一些工艺步骤。在图9(a)至图9(d)的方法中，前两个过程步骤如上文针对图8(a)和图8(b)所示的方法步骤所述，但除了淬火槽70位于轴承座圈加热装置下方的位置。加热循环完成后，主电感器电路200a移除电源，主电感器和无源电感器电路将断电，此时，具有加热和奥氏体化轴承座圈区域的轴承座圈和整个无源电感器电路200b将从轴承座圈加热位置转移到淬火槽70中流体淬火剂70a表面以下，在此淬火循环开始，如图9(c)所示。优选但不限于，在淬火槽中搅动(例如，通过搅拌)流体淬火剂，以改善淬火均匀性和其他优选冷却特性。淬火循环完成后，淬火热处理轴承座圈100(图中未显示)通过其安装座或夹具被提升到从无源电感线圈卸载的位置，并从安装座或夹具卸下。在连续的持续轴承座圈热处理过程中，将随后未经热处理的轴承座圈加载到安装座上，并重复图9(a)至图9(d)中所述的上述感应热处理过程。
113.一些可用于形成轴承座圈的钢具有较差的冶金淬透性，因此可能对在将轴承座圈运送至淬火槽期间发生的淬火延迟敏感，如上述相对于图9(a)至图9(d)的方法中所示。此类钢在加热和奥氏体化后的温度可能会降至最低需要的温度水平以下，并且延迟淬火后可能形成冶金不良组织。图10(a)至图10(d)图解说明了本发明轴承座圈热处理方法的另一个实施例。图10(a)至图10(d)所示的热处理方法是对图9(a)至图9(d)所示方法的变型ss修改。图9(a)、图9(b)和图9(d)中确定的过程步骤类似地在图10(a)、图10(b)和图10(d)中确定的过程步骤中执行。图10(c)中确定的工艺步骤是从图9(c)中的工艺步骤修改而来的，其中喷射淬火块72淬火(如淬火喷射箭头所示)相对于无源电感器线圈220固定的加热奥氏体化轴承座圈，因为整个无源电感器电路200b与固定的加热奥氏体化轴承座圈一起被降低到淬火槽70内流体淬火70a中以完成淬火过程。当由于热处理轴承座圈的冶金性能，而需要在奥氏体化后立即和/或不间断淬火时，图10(a)至图10(d)中所示的方法特别有用。
114.根据电感应热处理工艺的常见行业惯例，工件淬火工艺步骤所需的时间通常比加热和奥氏体化工艺步骤所需的时间长2到4倍。因此，在使用图8(a)至图8(d)；图9(a)至图9(d)；以及图10(a)至图10(d)中公开的任何方法的特定应用中，热处理轴承座圈的热处理生产率和电源利用率可能低于预期。
115.图11(a)和图11(b)图解说明了本发明轴承座圈热处理方法的另一个实施例，该方法是提高轴承座圈热处理生产率和改善电源利用率的一种替代方法。所示方法中使用的电加热设备，例如由具有多个主电感线圈210a”和210b”的主电感电路200a”和具有多个无源电感线圈220a”和220b”的无源电感电路200b”形成，以形成如图12(a)中轴承座圈加热位置所示的电感应加热设备245。图12(a)中的加热设备245说明了本发明的一种方法，用于增加热处理轴承座圈的产率和提高应用电功率利用率。在图11(a)和图11(b)所示的方法中，两个轴承座圈(两个主感应线圈对和无源感应线圈对各一个中的一个)可以同时热处理，然后使用本领域已知的适当喷射淬火装置(如图11(a)或图11(b)中的装置73)或替代淬火工艺
步骤同时淬火，例如，但不限于，在图8(a)至图8(d)；图9(a)至图9(d)；以及图10(a)至图10(d)的方法中公开的。
116.图12(a)说明了在主电路和无源电路中使用多个感应线圈时，本发明的电感应加热设备在加热位置的替代布置，即主电感器电路中的两个线圈210a”和210b”，以及无源电感器电路中的两个线圈220a”和220b”，用于同时加热两个轴承工件上的座圈。在图12(a)中，为了方便起见，仅示出了一个轴承工件。图12(b)是图12(a)中加热设备左端的放大图。
117.如图11(a)至图11(b)所示，主电感器电路200a”的多个线圈210a”和220b”以串联方式进行电气连接。在本发明电加热设备的替代布置中，主电感器电路200a”的多个线圈210a”和220b”可以并联，或以上相组合进行电气连接。类似地，无源电路200b”中的多个线圈220a”和220b”也可以并联电气连接或具有串联/并联组合的连接。
118.旋转转台可用于提高生产率，淬火可在加热位置以外的多个位置进行。如果部件需要硬化同一工件上的不同区域，也可以使用这种类型的系统。转台可以水平、垂直或成角度布置。
119.图13示出了本发明感应加热系统的一个示例，该系统包括一个垂直方向的转台330，该转台具有三个工位，用于同时热处理两个工件轴承。如箭头所示，转台逆时针旋转，将两个待热处理的工件轴承100x加载到转台工位333的转台上，该工位可称为热前加载和热后卸载工位；将两个工件轴承100y装入本发明的双工件加热设备(例如图12(a)所示的加热设备245)中，其靠近转台工位331(轴承工件加热工位)，在此轴承座圈装载入设备245中；感应加热；奥氏体化并从设备245上卸载；两个加热和奥氏体化的工件轴承100z位于淬火台工位332，在淬火台工位332处，它们在淬火槽70中的淬火剂70a(图中显示为点状淬火剂表面区域)中淬火。转台一次索引两个工件轴承，从转台工位331到转台工位332到转台工位333。在本发明的一些实施例中，在加热台工位331和淬火台工位332之间安装了一个辅助喷射淬火装置(图中未示出)，以在这两个工位之间的运送过程中淬火工件奥氏体化轴承座圈特征。辅助喷射淬火装置可类似于图10(c)中的喷射淬火块72，以提供静止或搅拌的液体淬火剂。在本发明的其他实施例中，提供了多个用于加热或淬火或可选地加热及淬火的转台工位。在本发明的其他实施例中，转台的方向为水平或与水平方向倾斜或垂直的角度。轴承座圈特征可以在固定在转台加热设备中时加热，或通过本领域已知的传统旋转装置(例如旋转致动器)旋转时被加热。在本发明的其他实施例中，梭式装置用于执行旋转台的功能，以在不同的加工位置(例如，从加热到淬火到加载和卸载位置)之间运输工件轴承。
120.图17(a)图解说明了本发明的另一个方面，包括一个分体式多线圈电感应加热系统，该系统具有一个分离式电感器组件，用于同时加热轴承部件上的多个轴承特征，和交流(ac)电源160a，该电源160a包含至少两个锁相输出161和162。本领域已知的任何交流电源，包括但不限于基于半导体技术制造的电气设备(例如，基于晶闸管或基于晶体管的交流电源)，只要其具有至少两个锁相输出161和162，就适合用作交流电源160a。
121.分体式电感器组件包括两个主电感器组件，可在轴承部件加热位置分开。第一主电感器电路导体网络6a和6b将交流电源160a的第一锁相输出161与第一主加热电感器210连接(如图17(a)所示)。第二主电感器电路导体网络6c和6d将交流电源160a的第二锁相输出162连接到第二主加热电感器220。
122.由于交流电源160a输出的锁相能力，第一主加热电感器210中的瞬时电感器电流
流和第二主加热电感器220中的瞬时电流流可以朝向相反的方向，如图17(b)中的电流波形，或者第一主加热电感器210中的瞬时电感器电流和第二主加热电感器220中的瞬时电流可以朝向相同方向，如图17(c)中的电流波形所示。因此，根据轴承特性的硬度图案要求(例如，图1(b)所示的间断轴承座圈硬度图案或图1(c)所示的非间断轴承座圈硬度图案)，根据本发明的替代实施例的交流电源输出的这种锁相能力将提供第一主加热电感器210和第二主加热电感器220中瞬时电流的所需理想方向(类似于图5(c)、图5(f)或图5(g)中所示的方向)。
123.由交流电源160a的至少两个锁相输出161和162中的每一个提供的电功率(以及，因此，提供给每个加热电感器210和220的电功率)是独立控制的，这允许补偿图1(b)所示的加热金属质量的可能差异(比较轴承特征的101区和102区或滚动元件(例如滚珠或滚柱)分别与轴承内座圈101a和102a抵靠的区域)。
124.作为使用具有多个输出161和162的锁相能力的单个交流电源160a的替代方法，本领域技术人员，受益于上述说明书的教导，可以使用具有输出功率锁相能力的两个不同交流电源，而不是使用上述单个交流电源160a。该修改不脱离本发明的范围。
125.虽然主-无源的设计概念(例如，图5(c)或图12(a))是更具成本效益的方法，因为与更复杂的交流电源160a相比，只需要传统且不太复杂的交流电源160，但在某些条件下，使用包含至少两个锁相输出161和162的交流电源160a可能是有益的，并且较佳地表现出某些工艺优势。上述某些条件包括但不限于更高频率的应用(例如，70khz至600khz范围的频率)。此外或作为替代，这些条件还包括需要同时加热的金属质量存在显著差异的应用(上述质量的差异可能与需要硬化的轴承特征几何形状的相应差异有关)(比较轴承特征的区域101和102或滚动元件分别与轴承内圈101a和102a抵靠的区域，如图1(b)所示)。或者，除这些条件外或作为替代，还包括轴承部件由两个以上需要同时热处理的轴承特征组成且具有实质性不同几何形状的应用。或者，除这些条件外或作为替代，还包括轴承部件由多个轴承特征组成的应用，这些特征表现出中断和非中断硬度图案的组合。这些只是使用具有多个主电感器的感应加热系统(例如图17(a))的几个优选的示例性情况。
126.图18示意性说明了本发明的另一个方面，包括一个分体多线圈电感应加热系统，该系统具有一个分离式电感器组件，用于同时加热轴承组件上的多个轴承特征，包括一个传统交流电源160，该电源160的单个输出连接到输出变压器222的初级绕组222a，变压器222具有至少两个次级绕组222b和222c。次级绕组222b和222c通过输出变压器222的相应输出161a和162a以及相应的主电感器电路导体网络6a-6b和6c-6d连接到两个相应的主电感器210和220。
127.第一主电感器电路导体网络6a和6b连接变压器222的第一输出161a和第一主加热电感器210。第二主电感器电路导体网络6c和6d连接变压器222的第二输出162a和第二主加热电感器220(见图18)。
128.两个主电感器电路导体网络6a-6b和6c-6d中的每一个都可以由标准功率控制装置(图18中未显示)组成，例如基于晶闸管或基于晶闸管的交流稳压器，这些装置在本领域中是已知的，并且在工业中常用，允许独立地调节供应给每个加热电感器210和220的功率。
129.通过改变变压器222的次级绕组222b和222c相对于彼此的相对配置，可以将流过加热电感器210和220的瞬时电流定向为彼此相同的方向或相反的方向(无论哪一种，是获
得所需硬度图案所需的)。在需要中断硬度图案的应用中(例如，如图1(b)所示)，以这样的方式配置变压器222的次级绕组222b和222c是有利的，即在加热电感器210和220中流动的瞬时电流将朝向相反的方向。相反，如果需要不间断的硬度图案(例如，如图1(c)所示)，则以这样的方式配置变压器222的次级绕组222b和222c是有利的，即在加热电感器210和220中流动的瞬时电流将朝向相同的方向。
130.主-无源的设计概念(例如，图5(c)和图12(a)更具成本效益，并且是相对简单的设计，可以消除使用具有特定配置的至少两个次级绕组的变压器222的需要，然而，在某些情况下，使用图18所示的电路可能显示出某些工艺优势。这些情况包括但不限于，中和低频率(例如，500hz至6khz范围)的应用。或者，除这些情况外或作为替代，还包括需要相当深的硬度层深度(例如，3mm至9mm深的层深度)的应用。此外，或者作为替代，这些情况还包括需要同时加热的金属质量存在显著差异的应用(这与需要硬化的轴承特征几何形状的相应差异有关，例如轴承特征的101区和102区，或滚动元件分别与轴承内圈101a和102a抵靠的区域，如图1(b)所示)。这些只是使用图18所示感应加热系统可能有益的几个示例性情况。
131.在本发明的上述实施例中使用了单匝电感器。在本发明的替代实施例中，使用了两个或多个匝感应线圈(例如，根据特定应用，也可以使用多匝有源线圈和多匝无源线圈，来替代单匝电感器类型)。
132.在本发明的上述实施例中，主线圈和被动线圈使用线圈铜圆管。在本发明的替代实施例中，其他线圈配置用于特定应用，包括异形铜线圈。
133.上述指定几何形状的磁通集中器，例如u形或环形磁通补偿器，可以具有替代几何形状，或根据具体应用的需要由其他形状的磁通集中器组装而成。
134.当加热薄壁轴承部件的内表面(内圈)以进行奥氏体化时，可以在整个热循环或部分热循环期间对外表面进行喷雾淬火。这有助于防止(如果需要)在热处理薄壁轴承部件时的穿透硬化或过渡硬化深度。类似地，为了防止(如果需要)在加热外表面(外圈)时的穿透硬化或过度硬化，可以对内表面进行喷雾淬火。
135.感应热处理设备和方法的替代实施例应用于轴承座圈表面或要热处理的座圈区域不是轴承内圈的应用，例如但不限于，如图1(d)和图1(e)的轴承座圈中所示的外轴承座圈和滚珠滚道100
′
。在本发明的其他实施例中，例如，外轴承座圈、互补主电感器线圈和无源电感器线圈可以配置为在加热位置围绕外轴承外部布置。
136.已经根据优选示例和实施例描述了本发明。除了明确说明的之外，等效物、替代物和修改，在本发明的范围内也是可能的。本领域技术人员受益于本说明书的教导，可以在不脱离本发明范围的情况下对其进行修改。