弹簧的感应加热的制作方法
【专利说明】 弹黃的感应加热发明领域
[0001]本发明总地涉及金属弹簧的淬火硬化，尤其涉及用感应加热工艺使弹簧的金属硬化。
[0002]发明背景
[0003]金属淬火硬化工艺是一个用在弹簧制造中的标准工艺过程。一种常用的淬火硬化工艺包括一个传统的气氛加热炉。这样的淬火硬化过程是很慢的。弹簧可以用各种金属(例如不锈钢、碳钢、合金钢、等等)来成形。弹簧的金属在被恰当地淬硬并回火时，可以达到特定的冶金学参数，诸如硬度和微观组织。
[0004]在用传统的气氛加热炉淬硬弹簧时，首先是把弹簧放在加热炉内的一个架子上在一定温度下保持一段特定时间。然后，把弹簧拿出来放进油或其它淬火液中去淬火。在这一初始淬硬过程之后，弹簧的硬度一般比所要达到的高。因此，弹簧一般都要经历一个回火过程，直至使弹簧达到所需要的物理性质。弹簧在被处理得恰当时，其钢的某些结晶结构被改变为带有许多溶解碳化物的回火马氏体，因而能提供所需要的弹簧心部结构和所需要的弹簧表面硬度。
[0005]用于淬硬弹簧的另一种工艺是感应加热。感应加热过程是通过诱导弹簧的导体材料里产生电磁场来发生。导体材料里会产生涡流电流，而导体材料的电阻将导致焦耳加热。如果需要，感应加热可用于将钢加热至其熔点，这足以使钢质产品奥氏体化。
[0006]与用传统的气氛加热炉加热相比，感应加热工艺可缩短加热周期时间，感应加热工艺还可简化弹簧的材料搬移，还有可能在淬硬过程中实现弹簧材料搬移的自动化。尽管感应加热与传统的气氛加热炉相比有一些优点，但弹簧的感应加热也有些问题，诸如弹簧整个长度上均匀加热、弹簧两端的过热、以及感应线圈效率的保持等问题。
[0007]鉴于弹簧淬硬技术的现有状态，有必要改进淬硬工艺过程，使之与用传统的气氛加热炉淬硬相比能降低劳动强度和时耗，而且能在弹簧的整个长度上均匀地加热弹簧。
【发明内容】
[0008]本发明是要用一种新颖的感应加热工艺过程来淬硬金属弹簧。本发明的淬硬工艺可克服以往用于线绕弹簧的感应加热工艺的缺点。本发明尤其针对直的圆柱形压缩弹簧(例如圆柱形螺旋弹簧，等等)或圆锥形压缩弹簧，但是，本发明的淬硬工艺也可用于淬硬其它类型的弹簧。本发明的淬硬工艺包括用感应加热方法来加热弹簧，与用传统的气氛加热炉进行加热相比，感应加热可使弹簧受热更为均匀且加热时间大为缩短，而且这种淬硬工艺可使弹簧的金相组织等同于或优于通过采用传统的气氛加热炉的传统淬硬工艺淬硬的弹簧的金相组织。
[0009]在本发明的一个非限制性方面，提供一种新颖的感应线圈构造。这种感应线圈一般是液体冷却的感应线圈，但这种感应线圈也可以用别的介质冷却。在本发明的一个非限制性实施例中，感应线圈是定位在弹簧的两侧，沿着弹簧的至少一部分纵向长度。应能理解，除两侧之外，还可在弹簧周围的多个方位上定位感应线圈的线圈。一般地，沿着弹簧的至少一部分的纵向长度把各感应线圈安放成其间有大致不变的间距。典型的是，沿着弹簧的整个纵向长度把各感应线圈安放成其间有大致不变的间距。可以用多种不同构造的感应线圈来加热弹簧。在一种非限制性设计中，感应线圈具有大体上方形的或矩形的形状。在本发明的另一非限制性实施例中，感应线圈有一匝或多匝，且匝的内径缩小。在用这样的构造时，沿着弹簧的至少一部分纵向长度定位至少两圈，并在弹簧的正相反那一侧沿着弹簧的至少一部分纵向长度定位至少一圈。应能理解，对任何构造的感应线圈，a)弹簧每一侧的圈数可以相同或不同，b)在弹簧的一个或多个纵向侧位上的一圈或多圈的长度可以相同或不同，c)在弹簧的一个或多个纵向侧位上的一圈或多圈的长度可以相同或不同，d) —圈或多圈的长度可以大于、等于或小于弹簧的纵向长度，e)沿着线圈的纵向长度，一圈或多圈的断面面积可以是不变的或变化的，f)两圈或多圈的断面面积可以相同或不同，g)沿着弹簧的纵向长度，一圈或多圈到弹簧的距离可以是不变的或变化的，和/或h)沿着弹簧的大部分或整个纵向长度，两圈或多圈可以处于同一平面内或平行的平面内。在本发明的再一个非限制性实施例中，可以用不只一个感应线圈来加热弹簧。这种新颖的感应线圈构造可使弹簧感应加热过程中产生的涡流电流汇聚成两个高度集中的加热面积“束”，从而对弹簧产生高效加热。这种加热效应，连同弹簧自身的自然热传导，可以既均匀一致又迅速地加热弹黃。
[0010]在本发明的另一和/或可替代的非限制性方面，可使弹簧在被感应加热的过程中慢慢地转动。可以用任何方式使弹簧转动。感应加热过程中弹簧的转速，一般是低于10rpm,典型地是低于50rpm,更典型地是约为0.25_40rpm,更甚典型地是约为l_30rpm。在弹簧加热过程中弹簧的转速可以不变或变化。已经发现，在感应加热过程中，较慢的弹簧转速可使弹簧有更为恰当的热量分布。已经发现，在感应加热过程中，太高的弹簧转速会使弹簧的端部过热。这种过热可导致处于感应加热过程中的弹簧的端部各圈的某些部分熔接到一起和/或不利地改变弹簧的微观结构。此外，还已发现，在这种加热工艺中，在弹簧加热和转动过程中支承着弹簧还可阻止或防止弹簧因自身重量而下垂和变形。在本发明的一个非限制性实施例中，在弹簧加热过程中，用辊子转动弹簧。一个或多个弹簧被放在两个或多个辊子上。辊子一般是用不会被一个或多个感应线圈加热的材料(例如陶瓷，等等)制成的，所以在一个或多个弹簧的加热过程中一个或多个弹簧上不会产生热点。应能理解，可以用其它材料来制作辊子的一个或多个部分。在采用辊子时，弹簧一般是被放在辊子的顶面上并在被加热和转动过程中由辊子支承着，但不要求一定如此。辊子也可以用于沿着辊子的纵向长度移动一个或多个弹簧，但不要求一定如此，可以控制一个或多个辊子的转速和/或转向，以便使弹簧移近和/或移远于感应线圈的一圈或多圈，和/或在它们之间移动，但不要求一定如此。
[0011]在本发明的再一个和/或可替换的非限制性方面，在加热弹簧时把感应线圈的一圈或多圈定位在弹簧的中心轴线的上方或下方。业已发现，感应线圈的这样一种定位可以对弹簧提供更均匀的加热。一般地，使感应线圈的一圈或多圈的中心轴线对弹簧中心轴线的偏离量是弹簧直径5-50 %，典型地，是弹簧直径的约10-45 %，更典型地，是弹簧直径的约 10-40%.
[0012]在本发明的更再一个和/或可替换的非限制性方面，可以把感应线圈构造为可使弹簧在加热过程中沿着感应线圈的纵向长度连续移动，以便于实现弹簧的自动化加热。可选地用一种标引装置(indexing arrangement)将多个弹簧送上棍子并将它们定位在棍子上。这样的装置便于实现弹簧加热的自动化。
[0013]在本发明的仍再一个和/或可替换的非限制性方面，用于转动弹簧的辊子是设计成能够以不同的转速转动而使弹簧沿着辊子的纵向长度移动，但不要求一定如此。
[0014]在本发明的再一个和/或可替换的非限制性方面，用于转动弹簧的各辊子可被移动而互相靠近或远离，但不要求一定如此。在这样的安排中，可将各辊子设计成能够互相远离以便于弹簧能通过它们之间落下去。例如，弹簧可在被加热之后通过辊子之间下落而落入淬火液池，但不要求一定如此。应能理解，可以用多种方式给一个或多个弹簧淬火(用淬火液喷淋、投入淬火液池、等等)。
[0015]一般来说，感应加热有两个基本途径。其一是用较高频率的电流来进行表面加热。这种加热方式中，弹簧表面是热量集中的区域。在感应发热只发生在弹簧表面的同时热量传导到弹簧的整个断面而达到全面加热。这种加热方法是较快的。第二个途径是用低频电流进行深度穿透加热或称表面以下加热。这种加热方式通常较慢但较为全面，因为其可使弹簧的整个断面同时地升温。用于弹簧的热处理，表面加热方式比表面以下加热方式更为合适，因为其几乎不加热弹簧“心部”。
[0016]在本发明的再一个和/或可替换的非限制性方面，用一个淬火液池对被加热了的弹簧进行部分地或完全地淬火。在本发明的一个非限制性实施例中，淬火液池放置在辊子的下方并且是设计成可接纳被加热了的通过两个辊子之间或从辊子的端头落下的弹簧。淬火液一般是油或含有油，但也可以用其它的淬火液体。
[0017]在本发明的再一个和/或可替换的非限制性方面，用一个温度监测器监测被加热弹簧的温度。
[0018]在本发