用于复杂工件的单发感应加热的感应器的制造方法
【专利说明】用于复杂工件的单发感应加热的感应器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张2013年6月22日申请的美国临时申请案第61/838，249号的权益。
技术领域
[0003]本申请涉及复杂工件的电感应单发热处理，该复杂工件具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合并且在一个末端处连接至具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的该圆形组件。
【背景技术】
[0004]直圆柱状(诸如实心或中空的轴)的工件可经冶金热处理(硬化)以承受施加至所要应用中的工件的力。例如，工件可以是各种圆柱形的汽车组件，其经过冶金硬化用于机动车辆动力系统中。
[0005]更复杂的工件通过组合具有不同直径、圆角、肩部、孔以及其它几何不规则性的多个圆柱形组件形成。Handbook of Induct1n Heating (Valery Rudnev 等人，2003 年，Marcel Dekker, Inc., New York, NY)中的图5.28 (左侧图)和图5.36绘不了这种复杂几何形状的示例。图1(a)绘示了复杂工件的另一个实施例。一般而言，这些复杂工件可特征化为具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合，并在一个末端处连接至具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的该圆形组件，并且为了方便起见，这种工件在本文中称为“复杂工件”。例如，对于图1(a)中示出的复杂工件90，虚线框90a内的工件组件是至少部分圆柱形组件，并且虚线框90b内的工件组件是具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件，并且这两个工件区域定向为使得该至少部分圆柱形组件90a具有的中心轴Q与圆形组件90b的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的外直径d2比该至少部分圆柱形组件90a的外直径d 1大的该圆形组件90b。
[0006]电感应加热用于多种加热处理程序中，诸如退火、正火、表面(外壳)硬化、穿透硬化、回火及应力消除。感应加热的最流行的应用之一是钢、铸铁以及粉末冶金组件的硬化。在一些情况中，需要对整个工件热处理，然而，在其它情况中，只需要热处理工件的选定区域。
[0007]典型的感应硬化程序涉及加热需要被强化至奥氏体化(austenitizing)温度的工件或工件的区域；使工件或区域保持(若需要)在奥氏体化温度下足够时间周期以完成奥氏体化，然后，迅速冷却工件或区域至低于需要的马氏体(martensitic)结构开始形成的温度。迅速冷却或淬火允许由剪切型转换取代依赖扩散的转换程序，其形成更硬的成分(称为马氏体)。马氏体可形成并且硬化可以在工件表面或区域上或贯穿工件或区域的整个截面上完成。工件出于不同的原因被感应硬化。例如，硬化可被完成以增加抗扭强度和/或抗扭疲劳寿命，以延长弯曲强度和/或弯曲疲劳寿命，或提高耐磨性或接触强度。
[0008]各种类型的加热感应器可用于感应硬化圆柱形或复杂工件。由于工件的感应加热取决于与工件的区域耦合的磁通以感应工件中的涡流加热，因此利用典型的感应线圈配置很难获取复杂几何区域(诸如相邻圆柱形组件之间的圆角)内的均匀感应加热处理。感应加热程序由热渗透入工件的内部是向内感应涡流加热及随后从涡流区域(由感应电流渗透的深度控制)向工件的中心区域传导(该传导加热程序在本领域中称为热“浸”)热两者的结合的事实而进一步被复杂化。
[0009]感应器的配置取决于特定应用的参数，其包括工件的几何形状、被加热材料的组成、感应器安装的可用空间、加热模式(例如，扫描、单发、渐进或静态加热模式)、工件生产率、所需加热型样以及工件处理的细节(即，如何装载及卸载工件)。
[0010]用于感应硬化的感应器通常因铜的高导电性和导热性、其固有的抗腐蚀性和优异的冷加工性和热加工性而由铜或铜合金制成。
[0011]通道型(也称为单发或槽)感应器是最适于圆柱形和复杂工件的穿透及表面硬化的一种类型的感应器。使用通道感应器，工件及感应线圈都不相对彼此移动，除了该工件可能旋转之外。通道感应器可以是单匝或多匝感应器。多匝通道感应器通常用于例如在物件锻造程序中热成型之前穿透加热小钢环或钢条的末端。单匝通道感应器通常用于感应硬化圆柱形或复杂组件，其代表性地在感应加热手册(Handbook of Induct1n Heating)中的图5.28(右侧图)和图5.36示出。单匝通道感应器的典型应用是硬化碳钢轴(诸如输出轴、凸缘轴、轭轴、中间轴及驱动轴)的硬化。
[0012]单匝通道感应器由两个纵向支柱和两个交叉区段(也称为桥或马蹄铁型半环)组成。交叉区段不环绕将被加热的工件的整个圆周，而通常仅环绕圆周的一半的部分。当工具的纵向区域需要被加热时，感应涡流主要沿工件的长度流动。例外是在通道感应器的交叉区段上祸流是半圆周的。作为示例，Handbook of Induct1n Heating中的图5.33示出了用于半轴的感应硬化的通道感应器。两个纵向支柱的每个及交叉区段的每个中的瞬时交流电相对于彼此在相反方向上。
[0013]被加热区域的长度可通过制造具有不同长度的纵向支柱区段的通道感应器控制。图1(b)示出现有技术单匝通道感应器100的一个示例。第一(上)交叉区段102包括交叉半区段102a和102a’、纵向支柱区段104a和104b以及第二(下)交叉区段106。复杂工件90插入如图1(c)示出的单匝鞍形感应器100。交叉半区段102a和102a’(图1(b))通过例如电介槽112彼此电隔离，使得交叉半区段102a和102a’可以连接至交流电源114的输出。由于感应器100的交叉区段和纵向支柱区段仅部分地围绕复杂工件90的圆周，因此，工件在装载在图1(c)中示出的加热处理位置时围绕其中心轴Q旋转。
[0014]图1(b)和图1(c)中的通道感应器100定向在垂直方向，用于在垂直或水平方向上装载或移除单发工件。
[0015]单匝通道感应器的纵向支柱区段可以通过使纵向支柱的选定区域凸起成形以适应经热处理的工件的特定几何特征(诸如工件直径的变化)而轮廓化。类似地，单匝通道感应器的一个或两个交叉区段可被轮廓化或弯曲化，用于生成与工件的合适区域的所需磁场区域耦合，从而获取需要的温度分布。制造具有面向工件的较窄加热表面的通道感应器的(所有)所需区段可以增大(所有)所需区域中感应功率的密度。
[0016]图2(a)至图2(c)绘示了圆角区域附近的现有技术单发通道感应器的轮廓化的交叉区段的三个典型示例。
[0017]图2(a)示出了用于热处理实心复杂工件92的单发单匝现有技术通道感应器加热装置的下半交叉区段106’。图2 (a)仅示出了垂直定向的通道感应器的下交叉区段106’(类似于图1(b)中的交叉区段106)的右半部，具有用于感应冷却介质流动的内部冷却通道106a’。在该实施例中提供单独的淬火设备116，用于当工件在通道感应器中加热后达到所需热条件时淬火。替代的淬火方法包括:工件被加热并从通道感应器卸载后淬火。垂直对称轴Q的轴指示复杂工件92的实心圆柱形组件92a的核心。因此，对于复杂工件92来说，至少部分圆柱形组件是实心轴圆柱形组件92a，并且具有的直径比至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件是组件92b (其阴影线与组件92a的阴影线方向相反)。因此，如图2 (a)所示，至少部分圆柱形组件92a的中心轴与圆形组件92b的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的直径比至少部分圆柱形组件92a的直径大的圆形组件92b。复杂工件92的外直径92c和圆角区域92d被包括在用于感应硬化的区域中，并且示出为斑点区域。外直径92c由于通道感应器的纵向支柱区段104a和104b(图2 (a)中没有示出)中流动的电流产生的感应涡流而被加热。圆角区域92d中的感应加热主要由通道感应器的下交叉区段106’中流动的通道感应器电流产生。
[0018]图2(b)(只有右半视图)示出了用于热处理中空复杂工件90 (也在图1(a)中示出)的单发单匝现有技术通道感应器的下交叉区段106”。图2(b)仅示出了垂直定向的通道感应器的下交叉区段106”(类似于图1(b)中的交叉区段106)的一半，具有用于感应器冷却介质流动的内部冷却通道106a”。图2(b)没有示出单独的淬火设备。垂直对称轴Q被指示作为复杂工件90的中空圆柱形组件(90a和90c)的核心，其中绘示的中空内部核心区域阴影线。因此，对于复杂工件90，亦如参考上文图1(a)中描述的，至少部分圆柱形组件是中空圆柱形组件90a，并且的直径具有比至少部分圆柱形组件90a的直径大的圆形组件在