专利名称：形状复杂工件的感应加热处理的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及具有一个或多个圆柱形构件的、形状复杂的金属工件的感应加热处理。
背景技术：
美国专利6，274，857(857专利)，其通过引用全部组合于此，公开了感应加热处理不规则形状的工件如曲轴的所选构件的方法和装置。使用857专利中的附图标记并参考附图，在专利附图2(a)、2(b)和2(c)中分别示出了典型配对的一对底部和顶部电感段(107) 和(109)。底部电感段在电源端接区(122)连接到交流(ac)电源以由位于贯通开口(117a) 附近的一对线圈段形成单一串联环形有源电路。因此，底部电感段也称为有源电感段。对应的顶部电感段(专利附图2(b))为单匝闭环线圈，也可称为无源电感段。至少一对线圈唇如线圈唇(123a)和(123b)形成在至少一线圈段中的部分开口如部分开口(121a)周围。第二对线圈唇形成在顶部电感段中，例如部分开口(121b)附近，使得当配对的底部和顶部电感段处于闭合位置时，如专利附图2(c)中所示，实质上闭合的电感器形成在工件构件(207) 周围，如专利附图6(a)中所示。工件构件(207)例如可以是曲轴上的曲柄销，活塞连接杆在冶金淬火后将连接到该曲柄销。前述销的任一端可连接到平衡锤(专利附图6(b)或6(c) 中的不规则形状的相邻工件构件(206)和Q08))。当底部和顶部电感段处于闭合位置及交流电流提供给底部电感段(107)时，磁通集中器如专利附图2(c)中的集中器(103a)和 (103b)用于磁耦合底部电感段周围因底部(有源)电感段中的电流流动产生的磁通，使得瞬时方向与底部电感段中的方向相反的电流感生在顶部(无源)电感段中。在闭合位置时， 电介质材料(410)将底部和顶部电感段的对向面对的表面分开，如专利附图2(c)中所示。 如专利附图中所示，一个或多个侧面屏蔽可提供在形成在线圈唇周围的弓形线圈区附近的线圈段的内和外侧之一或二者上，以用作进行加热处理的工件构件的磁通集中器及用作与加热处理的构件邻接的工件构件的磁场屏蔽。在上面内容描述底部和顶部电感段为单匝单一线圈的同时，857专利还公开了可提供其中底部和顶部电感段之一或二者为具有两匝或以上匝的单一线圈，以加固相对大的各个工件构件。美国专利6，859，125 (125专利)，其通过引用全部组合于此，公开了 857专利中不规则形状的工件的感应加热处理装置和方法的改进。使用125专利中的附图标记并参考附图，底部电感段(17)在电源端接区(122a)和(122b)连接到交流电源以由线圈匝(16)和 (18)形成双并联环形有源电路，如专利附图5中所示。限流缝隙(14)用于形成双并联环形有源电路并跨并联连接的相邻线圈段对提供更均勻的电流分布。并联连接的相邻线圈段对中的至少一个具有部分开口，如其中形成弓形线圈表面的线圈段(17a)中的部分开口(21a) 0弓形线圈表面可形成为一对线圈唇，每一线圈唇由孔口分开，如专利附图5中示意性示为每一相邻线圈段中的内线圈唇0北)、外线圈唇(23a)和孔口(31)。线圈唇成形为有选择地补偿不规则形状构件的不规则的质量，针对实质上圆柱形的构件表面上的开口， 或针对圆角的选择性加热。如125专利中所公开的，有源电感段(17)可与单匝无源电感段配对。作为备选，有源电感段(17)可与两匝无源电感段(19)配对，如专利附图6中所示， 或与专利附图7中的无源电感段09)配对，其通过截面限流缝隙(30)分为两个电绝缘的线圈(32)和(33)。如125专利中所公开的，当有源电感段(17)与无源电感段之一配对时， 工件可用线圈唇对感应加热。125和857专利总体上致力于工件构件的“带”加热处理。例如其中所选的将要进行加热处理的工件构件207'为先前描述的曲柄销，跨该销的整个横向表面区域A'均大致需要均勻的加热处理，如图1(a)中所示，而不是圆角区域207a'和207b‘，其包括工件构件207'和相邻不规则形状的构件206'及208'之间的界面区域。因此，如图1(a)和图 1(b)中所示，底部和顶部电感线圈对107'和109'中的分别包围工件构件207'的线圈唇 (图1(a)中部分示出的底部线圈唇对123a'和12 ')组合形成曲柄销的整个横向表面区域A'周围的均勻感应加热“带”。图1(a)还示出了代表性的侧面屏蔽137'，及图1(b) 还示出了将底部和顶部电感线圈段的接触面分开的代表性电介质410'。857专利公开了通过在线圈唇12 '和124b'上形成向外指向的尖头区域而加热处理工件构件的圆角区域B'及整个横向表面区域A'的实施方式，如图2(a)中所示。125专利公开了将对向线圈唇对定位在由截面限流缝隙分开的一对并行线圈匝中，使得它们仅感应加热位于一对线圈段之间的所选工件构件及其邻接工件构件之间的圆角区域B'。如图2(b)中所示，这通过使线圈段之间的截面限流缝隙S相当宽而实现，如 125专利中所教示的，在6mm到25mm的范围内。第一对线圈唇23a'和23b'位于缝隙一侧上，而第二对线圈唇23c'和23d'位于该缝隙的另一侧上。如125专利中所公开的，宽的缝隙可用磁通集中器138'填充以进一步将感应加热导向圆角区域B'。125和857专利对于仅加热处理工件构件的圆角区域、或选择性加热处理圆角区域和/或沿工件构件横向宽度的选择区域、及冶金淬火圆角和表面区域的教示稍微有限。 例如，在工件构件为曲轴销或具有狭窄(如低于30mm宽)横向支承区域(宽度)的主轴颈时，当分别利用857和125专利的教示时，可导致“拇指甲”加热图案C'，如图3(a)和 3(b)中所示。拇指甲加热图案通常因几个因素而不合乎需要。首先，这样的加热图案浪费能量，因为中间淬火深度必须远深于朝向圆角区域实现令人满意的淬火深度所必须的深度。其次，这样的加热图案增加所加热构件的变形，因为增加的热量吸收导致构件更大的体积膨胀。考虑复杂工件如曲轴的形状，更大的金属膨胀相应导致更大的变形。此外，高于相变温度加热的金属量更大，导致更低温度转化结构如马氏体、更低的贝氏体及其它结构的相应增加，进而使得相较于工件构件的预加热冶金具有不同的体积密度。这还增加具有 “拇指甲”图案的、热处理的工件的形状/大小畸变。即使在成对的内和外有源电路线圈唇 123a'和12 '之间的区域120'中(图3 (a))及缝隙S和成对的线圈唇23a' /23b‘及 23c‘ /23d'之间的区域120"中(图3(b))没有导电线圈唇，仍可出现该拇指甲图案。拇指甲加热图案因内和外线圈唇对之间足够的电磁耦合引起，以在工件构件的中心横向区域 A'工(图3(a))及在工件构件的中心横向区域A' 2(图3(b))中产生足够强的磁通场。在支承表面的对向横向端部区域A' 3中因电感器的电磁末端效应而磁场强度降低。此外，因位于工件构件207'的两端附近的、相对冷(未感应加热)的不规则形状的平衡锤206'和 208'的存在，有明显的热散热效应；也就是说，端部区域A' 3中的感应加热远离工件构件的每一横向端部区域及朝向相邻的不规则形状的工件构件传导。本发明的一个目标是提供复杂工件如曲轴的圆柱形构件的冶金加热处理装置和方法。本发明的另一目标是跨圆柱形构件的横向宽度及圆角区域广泛控制复杂工件的圆柱形构件的感应淬火。
发明内容
一方面，本发明为感应加热处理金属工件的至少一实质上圆柱形的构件的电感组件及方法，其中实质上圆柱形的构件的至少一侧连接到不规则形状的构件以在不规则形状的构件和实质上圆柱形的构件之间形成圆角。电感组件由有源和无源电感段形成。有源电感段连接到一个或多个交流电源，及无源电感段与有源电感段磁耦合。有源电感段包括彼此电绝缘的内和外有源电感段。外和内有源电感段均具有至少一对相邻的部分贯通开口， 弓形线圈唇结构形成于其中。也就是说，外有源线圈唇形成在外有源电感段的部分贯通开口中，及内有源线圈唇相邻地形成在内有源电感段的部分贯通开口中。无源电感段包括彼此电绝缘的内和外无源电感段，并具有相应的外无源线圈唇和内无源线圈唇。当外和内有源线圈唇分别与外和内无源线圈唇配合时，形成大致圆柱形的内部体积，工件构件可在其内进行感应加热处理。唇间磁通集中器可位于内和外有源和/或内和外无源线圈唇对之间以控制跨工件构件横向宽度的感应冶金淬火图案。与唇交叉的磁通集中器可位于有源和/或无源线圈唇对周围以控制跨工件构件横向宽度的感应冶金淬火图案。提供给内和外有源和无源电感线圈段的交流电流的电参数可独立于彼此进行改变以控制跨工件构件横向宽度的感应冶金淬火图案。在本发明的其它例子中，电感组件可由两个有源电感段形成，该两个有源电感段之间没有磁耦合。本发明的上述及其它方面在本说明书及所附权利要求书中提出。
如下简要说明的附图用于示例性理解本发明，并不限制本说明书及所附权利要求书中提出的本发明方案。图1(a)和1(b)示出了圆柱形工件构件的带状冶金加热处理的概念，图1(a)为通过图1(b)中的线A-A的部分截面图。图2(a)为跨圆柱形工件构件的整个横向表面区域进行加热处理的现有技术装置的部分截面正视图。图2(b)为主要加热处理圆柱形工件的圆角区域的现有技术装置的部分截面正视图。
图3(a)和3(b)为跨圆柱形工件构件的横向宽度的通常不合乎需要的拇指甲冶金加热处理图案的部分截面图。图4(a)示出了在本发明电感组件中使用的有源电感段的一个例子的等距视图。图4(b)示出了在本发明电感组件中使用的无源电感段的一个例子的等距视图。图4(c)示出了由图4(a)和4(b)中所示的有源和无源电感段形成的本发明电感组件的一个例子的等距视图。图4(d)示出了工件构件位于对置的有源和无源线圈唇对之间的一个例子的截面图。图5(a)、5(b)和5 (c)示出了本发明中唇间磁通集中器的典型使用例子的部分截面图。图5 (a)‘和5 (a)“示出了图5 (a)中所示方案在感应加热处理过程期间具有交流瞬时电流流动图案的部分截面图。图6(a)和6(b)图示了用于向内和外有源电感段提供同相电流的两个交流电源电路。图7(a)和7(b)图示了用于向内和外有源电感段提供180度异相电流的两个交流电源电路。图8(a)和8(b)图示了外和内成对的有源和无源电感段的瞬时电流方向。图9(a)图示了内和外有源电感段中的电流之间的电流相位控制。图9(b)图示了内和外有源电感段中的电流之间的频率控制。图10(a)、10(b)和10(c)图示了内和外有源电感段中的电流之间的时移控制。图ll(a)-ll(d)示出了与唇交叉的磁通集中器的各种应用的截面图，所示集中器位于图13(a)中线B-B的截面中。图12示出了本发明中使用的唇间磁通集中器的一个非限制性例子的立体图。图13(a)示出了本发明中使用的与唇交叉的磁通集中器的一个非限制性例子的立体图。图13(a)‘和13(a)“示出了分别具有和没有与唇交叉的磁通集中器时的磁通通路的比较控制。图13(b)示出了本发明中使用的与唇交叉的磁通集中器的另一例子的立体图。图14为图4(c)中的电感组件在图13(a)中所示的与唇交叉的磁通集中器嵌入在无源电感段中的线圈唇周围时的情形。图15为图4(c)中的电感组件在图13(b)中所示的与唇交叉的磁通集中器嵌入在无源电感段中的线圈唇周围时的情形。
具体实施例方式现在参考附图，其中同一附图标记指同一元件，图4(a)、4(b)和4(c)中示出了本发明电感组件的一个非限制性例子10，其用于构成金属工件的至少一圆柱形构件的冶金加热处理。电感组件10包括有源电感段12和无源电感段32。有源电感段连接到至少一电源，而无源电感段与有源电感段磁耦合且不直接连接到电源。主要参考图4(a)，有源电感段12包括外有源电感段14和内有源电感段16，二者彼此电绝缘。内有源电感段位于由外有源电感段形成的贯通开口内，该贯通开口形成在外有源电感段14的内部。外有源电感段14包括一对对置的第一外有源电感线圈段1 和第二外有源电感线圈段14b、磁通耦合区14c、及电源端接区14d'和14d"，所有这些部分均互连在内部贯通开口 18周围。至少一外有源电感线圈段具有至少一部分贯通开口，如图4(a)中所示的开口 14a'和14b'。每一部分贯通开口的弓形表面区域可轮廓相符以形成有源外线圈唇， 如图4(a)中的线圈唇1 和15b。外有源电感段14可在电源端接区14d'和14d"处连接到至少一电源电路，如下进一步所述。内有源电感段16包括一对对置的第一内有源电感线圈段16a和第二内有源电感线圈段16b、磁通耦合区16c、及电源端接区16d'和16d"，所有这些部分均互连在内部贯通开口 18周围，其在内有源电感线圈段位于外有源电感段内部的贯通开口内时形成。至少一内有源电感线圈段具有至少一部分贯通开口，如图4(a)中所示的开口 16a'和16b'。每一部分贯通开口的弓形表面区域可轮廓相符以形成有源内线圈唇，如图4(a)中的线圈唇 17a和17b。内有源电感线圈段16可在电源端接区16d'和16d〃处连接到至少一电源电路，如下进一步所述。对于图4(a)中所示的方案，第一对外和内有源线圈唇分别由线圈唇1 和17a形成，及第二对外和内有源线圈唇由线圈唇1 和17b形成。外和内有源电感段之间的电绝缘通过在段之间提供电介质空间20(图4(a)中的断续横断阴影线所示)实现。至少在一对外和内有源线圈唇中的至少一对置有源线圈唇之间的区域中，提供至少一唇间磁通集中器22 (图4 (a)中的实线横断阴影线所示)，如下进一步所述。电介质空间20可以是空气分离或任何适当的固体或气体电介质材料。主要参考图4(b)，无源电感段32包括外无源电感段34和内无源电感段36，二者彼此电绝缘。内无源电感段位于贯通开口 38内，该贯通开口形成在外无源电感段34的内部。外无源电感段34包括一对对置的第一外无源电感线圈段3 和第二外无源电感线圈段34b及包括磁通耦合区34c (在图4 (b)中隐藏在耦合磁通集中器60b的下面)，所有这些部分均互连在内部贯通开口 38周围以形成闭环电路。至少一外无源电感线圈段具有至少一部分贯通开口，如图4(b)中所示的开口 34a'和34b'，图4(b)中开口 34a'可见。 每一部分贯通开口的弓形表面区域可轮廓相符以形成无源外线圈唇，如线圈唇3 和35b， 图4(b)中唇3 部分可见。内无源电感段36包括一对对置的第一内无源电感线圈段36a和第二内无源电感线圈段36b及包括磁通耦合区36c (在图4(b)中隐藏在耦合磁通集中器60d的下面)，所有这些部分均互连在减小体积的内部贯通开口 38周围，其在内无源电感线圈段位于外无源电感段内部形成的贯通开口内时形成。至少一内无源电感线圈段具有至少一部分贯通开口，如开口 36a'和36b'，图4(b)中开口 36b‘可见。每一部分贯通开口的弓形表面区域可轮廓相符以形成无源内线圈唇，如线圈唇37a和37b，图4(b)中唇37b部分可见。对于图4(b)中所示的方案，第一对外和内无源线圈唇分别由线圈唇3 和37a形成，及第二对外和内无源线圈唇由线圈唇3 和37b形成。外和内无源电感段之间的电绝缘通过在段之间提供电介质空间20(图4(b)中的断续横断阴影线所示)实现。至少在一对线圈唇中的至少一对置线圈唇之间的区域中，提供至少一唇间磁通集中器22 (图4(b)中的实线横断阴影线所示)，如下进一步所述。电介质空间20可以是空气分离或任何适当的固体或气体电介质材料。图4 (c)示出了电感组件10，其中使图4(a)和4(b)中所示的有源和无源电感段的接触面彼此接近地接触，同时用位于接触面之间的电介质50保持接触面之间电接触绝缘。外和内有源电感段的接触面14f和16f在图4(a)中标识为具有指明电流流动方向的箭头的表面；外和内无源电感段的接触面34f和36f在图4(b)中标识为具有指明电流流动方向的箭头的表面。一个或多个耦合磁通集中器用于在有源和无源电感段之间形成磁路，由针对外有源电感段14和外无源电感段34的耦合磁通集中器60a和60b及针对内有源电感段16和内无源电感段36的耦合磁通集中器60c和60d图示。每一集中器段包括高磁导率磁材料如多个层叠钢片或包括使用粘合剂材料粘合在一起的、基于铁和/或基于铁氧体的粒子的粉末型磁材料。外有源电感段14和内有源电感段16可分别使其电源端接区 14d' /14d"和16d' /16d"直接或间接连接到电源电路，如图4(c)中所示，分别通过母线 90a/90b和91a/91b，但具有分隔电介质92。当适当定位时，有源电感段中的每一部分开口相对于其在无源电感段中的对应部分开口大致镜像定位。例如，对于图4(a)中所示的有源电感段12，外和内有源电感线圈段中的工件部分开口 14a'和16a'相对于构成如图4(b)中所示的无源电感段32的外和内无源电感线圈段中的工件部分开口 34a'和36b'大致镜像定位以形成如图4(c)中所示的大致圆柱形的开口。与真实镜像有源和无源电感段的偏差用于本发明的部分应用以适应进行加热处理的构件或与其相邻的构件如平衡锤的特定特征。例如，线圈唇37b中的槽口 37b‘(图4(b))可仅在无源线圈唇37b中使用，而不在镜像有源线圈唇17b中使用，以使得工件中径向钻制孔不会过热。参考图4(d)，对于该方案，将要加热处理的圆柱形工件构件 307可位于周围成对的有源线圈唇1 和17a及成对的无源线圈唇3 和37a之间的大致圆形的开口中。连接到构件307两端的工件构件306和308代表可连接到构件307的任一端或两端的不规则形状的构件。如果存在，构件308可位于贯通开口 18和38中，同时构件 306可位于外电感线圈段1 的外面。可选地，一个或多个(有槽的或基于铁或基于铁氧体的粉末型)侧面屏蔽52可在电感段的弓形线圈区周围提供在有源和/或无源电感线圈段的一或两外侧上，如图4(d)中所示。如下面进一步所述，可使用唇间磁通集中器22。对于从电源电路提供给外和内有源电感段的适当交流电流，当有源电感段12中的瞬时交流电流流动(Ial和Ia2)大致为图4(a)中箭头所指示的方向时，无源电感段32中感生的瞬时交流电流流动(Ibl和Ib2)大致为相反的、如图4(b)中箭头所指示的方向，及大致圆柱形的工件307当位于图4(c)中的大致圆形的开口内时将被感应加热处理。如下进一步所述，这些电流在加热处理过程期间可周期性反向、相移、和/或时移，以在所加热处理的工件构件中产生所希望的冶金淬火图案。如上所述，在本发明电感组件的一些例子中，唇间磁通集中器用于控制感应加热处理的通常圆柱形的工件构件的冶金淬火图案。图5(a)、5(b)和5(c)为本发明中的唇间磁通集中器的代表性应用。为简化起见，这些及其它附图中的图以部分截面图示出了工件构件307和由外线圈唇1 及内线圈唇17a形成的有源线圈唇对之间的界面区域；优选工件构件307和由外线圈唇3 及内线圈唇37a形成的无源线圈唇对之间的界面区域类似，除非在构件307的外周周围希望非对称的淬火图案。典型的非限制性唇间磁通集中器22a 如图12中所示，沿线C-C切割截面，如其它图中所示。根据线圈唇的宽度Wlipl和Wlip2、唇间分隔距离dsep、和所希望的冶金淬火图案，可使用唇间磁通集中器22a、22b或22c，分别如图5(a)、5(b)和5 (c)中所示。唇间磁通集中器可填充成对的线圈唇之间的一部分或整个距离dsep。唇间集中器不需要延伸成对的线圈唇之间的整个长度X1，如图4(d)中所示。通常，唇间集中器需要从成对的线圈唇的横向尖端延伸到&的距离，使得每一线圈唇产生的磁通彼此分开但接近所加热处理的工件构件的横向表面。唇间磁通集中器的存在使成对的线圈唇之间的电磁耦合衰减，这将降低所加热处理的工件构件307的中心区域A'(图5(a))如轴承的感应加热。这与图3(a)中所示及上面描述的现有技术方案形成对照。当加热处理狭窄宽度Wwp的工件构件如曲轴上的轴颈时， 唇间磁通集中器与成对的线圈唇的组合特别有利。唇间几何参数基于从成对的线圈唇希望的、将要加热处理的特定工件构件的冶金淬火图案进行选择。参考图5 (a)，这些几何参数包括厚度t、唇间集中器和加热处理的工件构件的(轴承)表面之间的气隙距离g、和/或集中器的电磁性质即磁导率和电阻率。例如，厚度t必须足够以防止特定应用中出现磁饱和。在图5 (a)中，淬火图案A，跨工件构件的宽度Wwp具有实质上均勻深度的淬火图案， 通过控制上面描述的几何参数以降低淬火图案中部宽度中感生的功率密度(热源)从而实质上减小拇指甲图案的表面而实现。在图5(b)中，淬火图案B，跨工件构件的宽度具有对称双突出部的、可变深度的淬火图案，通过将唇间集中器22b的厚度增加到高于图5(a)中的集中器2 的厚度以进一步降低淬火图案中部宽度中感生的功率密度(热源)从而获得图5(b)中所示的更浅的淬火深度而实现。在图5(c)中，淬火图案C，跨工件构件的宽度具有对称双拇指甲淬火图案，通过将唇间集中器22c的厚度进一步增加到高于图5(b)中的集中器22b的厚度以消除如图中所示的中部宽度区域的淬火而实现。总之，在淬火图案从图中所示过渡到图中所示时，成对的有源线圈唇之间的距离 dsep递增，所使用的唇间磁通集中器的厚度t也递增。 本发明电感组件相较于现有技术的特别优点在于电流参数如电流相移、频率及电流时相移在感应加热处理过程的部分或所有步骤期间可针对外和内有源电感段单独进行改变，或任意一个独自改变，或彼此组合改变，以精确控制跨将要感应加热的工件构件的横向宽度的冶金淬火图案。 在附图中，常规记号用于指明电流流动的瞬时方向；也就是说，圆圈中为十字叉表明交流电流流入纸平面并远离读者，及圆圈中为点表明交流电流流出纸平面(与流入纸平面的电流异相180度)并朝向读者。图5(a)、5(b)和5(c)中的例子示出了因瞬时电流按相同方向在两成对的线圈唇中流动导致的各种淬火图案。例如，这可通过使用图6 (a)或6(b) 中所示的电源电路实现。在图6(a)中，使用了两个电源，1号电源连接到外有源电感段，及 2号电源连接到内有源电感段。作为备选，在图6(b)中使用单一电源，同时开关电路9 和 94b用于在相同和相反瞬时方向之间控制流到外和内有源电感段的瞬时电流，用于控制从单一电源到单独控制的外和内有源电感段及同时通电的有源唇对1 /! 和/或17a/17b 的输出电流。
图5(a)'表示图5(a)中的方案，其中瞬时电流在成对的线圈唇中按相反方向流动。在感应淬火过程期间，具有相反电流流动的唇间磁通集中器22a的使用增加由成对的线圈唇形成的线圈的电效率并朝向圆角区域307a和307b迁移电流线圈密度以产生淬火图案D。例如，这可通过使用图7(a)或7(b)中所示的电源电路实现。在图7(a)中，使用了两个电源，1号电源连接到外有源电感段，及2号电源连接到内有源电感段。作为备选，在图7(b)中，使用单一电源，同时开关电路9 和94b用于控制从单一电源到外和内有源电感段的输出电流。图5(a)"示出了当瞬时电流在感应淬火过程期间在相同和相反瞬时方向之间交替时用图5(a)中的方案实现的另一不同的结果；该方法导致淬火图案E，其中构件307的圆角区域和整个横向宽度均被淬火。例如，这可通过在图6(a)和7(a)、或图6(b)和7 (b) 中所示的电源电路之间交替而实现。总的来说，在本发明中，内和外有源电感段电路之间的瞬时交流相移α可在从0 度(表示与上面例子相同的瞬时电流方向)到180度(表示与上面例子相反的瞬时电流方向)范围内的任何地方进行改变，如图9(a)中所示。根据跨工件构件的横向宽度所希望的淬火图案，在冶金淬火过程中的一个或多个感应加热周期的一部分期间，相移α可在从0 到180度的任何范围。内和外有源电感段电路中的电流的频率f的独立变化是可用于控制跨工件构件的横向宽度的淬火图案的另一参数，如图9(b)中所示。内和外有源电感段电路中的电流的独立时相移位是可用于控制跨工件构件的横向宽度的淬火图案的另一参数。如图10(b)中所示，零时相移β可用于择一排他地向内或外有源电感段电路提供电流。作为备选，时相移可以为正，如图10(a)中所示，具有其间不向任一电感段提供电流的无电流时间带；或可以为负，如图10(c)中所示，当电流提供给两电感段时具有重叠时间带。如上所述，电流参数如电流相移、频率及电流时相移在感应加热处理过程的部分或所有步骤期间可针对外和内有源电感段单独进行改变，或任意一个独自改变，或彼此组合改变，以控制将要感应加热的工件构件跨横向宽度及包括圆角的冶金淬火图案。另外，在本发明的一些例子中，一对内和外线圈唇的各种参数可进行改变以实现跨工件构件的横向宽度的非对称淬火图案，或补偿影响跨构件横向宽度的感应加热处理过程的非对称特征， 例如但不限于相邻的不规则形状的平衡锤、圆角的几何结构、或构件的加热处理区域中的开口。在本发明的其它例子中，与唇交叉的磁通集中器可单独使用或可与上面描述的唇间磁通集中器结合使用。图11(a)示出了与唇交叉的磁通集中器23a的使用，其中实现了拇指甲淬火图案F。与唇交叉的磁通集中器在距成对的有源线圈的横向尖端&处至少部分嵌入在成对的有源线圈唇1 和17a内。选择距离&以减小每一唇产生的磁通返回通路的长度从而增加线圈电效率。与唇交叉的磁通集中器23a通常具有如图13(a)中所示的弓形形状并在通过产生更优越的低阻抗磁通通路而定位外部磁场的同时“闭合”外部磁通路。该效应由图13(a)'和13(b)'中的示例性磁通线80a和80b (按虚线示出)图示，分别具有和没有与唇交叉的磁通集中器。这样做减小了在各种导电特征内产生的外部功率损耗，如与本发明电感组件相关联的工具或固定装置。图14示出了插入在无源线圈段32中的线圈唇对周围的开槽型与唇交叉的磁通集中器23a ；类似的与唇交叉的磁通集中器可插入在有源线圈段12中的线圈唇周围。图13(b)示出了弓形与唇交叉的磁通集中器的另一例子23b， 其中磁通集中器不是单一磁通集中器，而是如图15中所示的无源线圈段32中的线圈唇对周围的分散圆柱形磁通集中器的弓形阵列；类似的与唇交叉的磁通集中器可插入在有源线圈段12中的线圈唇周围以在工件构件将在其中进行加热处理的每一开口周围形成“鼠笼” 磁通集中器布置。图ll(b)-ll(d)示出了本发明的例子，其中使用了与唇交叉的磁通集中器23a和唇间磁通集中器22的组合。尽管图11 (a)-ll(d)中所示的与唇交叉的磁通集中器 23a水平定向在线圈唇对之间，通常与唇交叉的磁通集中器也可具有其它定向和形状，只要其在线圈唇对之间延伸即可。与上面针对唇间磁通集中器的描述类似，图ll(a)-ll (d)中所指明的电流瞬时方向示出了分别可实现的淬火图案F、G、H或I的变化。使用本发明电感组件的一非限制性的方法是用在美国专利6，274，857B1中公开的装置中。与其中工件或电感组件可旋转的装置一起使用本发明电感组件也在本发明的范围内。例如，可提供包括其输出轴直接或间接连接到旋转安装结构的电动机的适当驱动器以安装电感组件或工件。作为备选，电感组件和工件均可安装到分开的驱动器上，使得二者在加热处理过程期间可独立旋转。此外，适当的线圈唇造型、磁通集中器及电介质材料选择的描述可在美国专利 6，274，857B1 和 6，859，125B2 中找到。在两个实质上闭合的开口形成在如图4(c)中所示的电感组件中以加热处理工件的两个构件的同时，在本发明的其它例子中，在电感组件中可以仅有一个或有两个以上实质上闭合的开口以加热处理工件的一个或两个以上构件。本发明的上述例子仅用于阐释的目的，绝不应视为限制本发明。在本发明已参考多个实施例进行描述的同时，在此使用的话语是描述性和说明性的，而不是限制性的话语。 尽管本发明在此结合特定手段、材料和实施方式进行描述，本发明不意于限于在此公开的细节；而是，本发明延伸到所有功能上等效的结构、方法和使用。本领域技术人员在本说明书的教示下可对其进行多种修改，及可在不背离本发明范围的前提下对各方面进行改变。
1权利要求
1.用于加热金属工件的至少一圆柱形构件的电感组件，所述电感组件由有源电感段和无源电感段形成，有源和无源电感段具有用于将提供给有源电感段的交流高频电流磁耦合到无源电感段的装置，至少一闭合开口部分形成在有源电感段中及部分形成在无源电感段中以放置圆柱形构件从而通过向所述构件施加磁场而进行感应加热，所述磁场由有源和无源电感段响应于交流高频电流的激励而产生，特征在于有源电感段还包括形成在外有源电感段贯通开口周围的外有源电感段；位于外有源电感段贯通开口内并通过电绝缘电介质空间与外有源电感段分开的内有源电感段；形成在内有源电感段内的有源电感器贯通开口，所述有源电感器贯通开口形成相邻的第一外和内有源线圈段及相邻的第二外和内有源线圈段，相邻的第一外和内有源线圈段和相邻的第二外和内有源线圈段位于所述有源电感器贯通开口的两侧；及由相邻的第一外和内有源线圈段对或相邻的第二外和内有源线圈段对任一的每一个中的开口形成的至少一对对齐的有源部分电感段开口，相邻的第一外和内有源线圈段对或相邻的第二外和内有源线圈段对任一中的每一开口具有分别与外和内有源线圈段接触面界面连接的有源电感段弓形线圈表面；及无源电感段还包括形成在外无源电感段贯通开口周围的外无源电感段；位于外无源电感段贯通开口内并通过电绝缘电介质空间与外无源电感段分开的内无源电感段；形成在内无源电感段内的无源电感器贯通开口，所述无源电感器贯通开口形成相邻的第一外和内无源线圈段及相邻的第二外和内无源线圈段，相邻的第一外和内无源线圈段和相邻的第二外和内无源线圈段位于所述无源电感器贯通开口的两侧；及由相邻的第一外和内无源线圈段对或相邻的第二外和内无源线圈段对任一的每一个中的开口形成的至少一对对齐的无源部分电感段开口，相邻的第一外和内无源线圈段对或相邻的第二外和内无源线圈段对任一中的每一开口具有分别与外和内无源线圈段接触面界面连接的无源电感段弓形线圈表面，当外和内有源线圈段接触面面向外和内无源线圈段接触面且外和内有源线圈段接触面与外和内无源线圈段接触面电绝缘时，对齐的有源和无源部分电感段开口对形成至少一闭合开口。
2.根据权利要求1的电感组件，其中相邻的第一或第二外和内有源或无源电感段对的至少一个中的弓形线圈表面为轮廓相符的一对线圈唇。
3.根据权利要求2的电感组件，其中所述轮廓相符的一对线圈唇成形为有选择地补偿与至少一圆柱形构件相邻的不规则形状构件的不规则质量、至少一圆柱形构件表面上的开口、或选择性加热不规则形状构件和至少一圆柱形构件之间的圆角区域。
4.根据权利要求2的电感组件，还包括位于轮廓相符的线圈唇对的两侧之间的至少一唇间磁通集中器。
5.根据权利要求2的电感组件，还包括至少一与唇交叉的磁通集中器，所述至少一与唇交叉的磁通集中器在偏离轮廓相符的线圈唇对的尖部一距离处部分嵌入在轮廓相符的线圈唇对的每一线圈唇中。
6.根据权利要求2的电感组件，还包括位于轮廓相符的线圈唇对的两侧之间的至少一唇间磁通集中器，及至少一与唇交叉的磁通集中器，所述至少一与唇交叉的磁通集中器在偏离轮廓相符的线圈唇对的尖部一距离处部分嵌入在轮廓相符的线圈唇对的每一线圈唇中。
7.根据权利要求1的电感组件，还包括在至少一圆柱形构件位于至少一闭合开口中时使电感组件或金属工件旋转的驱动器。
8.用于感应加热金属工件的至少一圆柱形构件的方法，该方法包括步骤在至少一圆柱形构件的轴向长度方向周围形成闭合开口，其中所述闭合开口部分形成在有源电感段中及部分形成在无源电感段中，有源电感段包括 形成在外有源电感段贯通开口周围的外有源电感段；位于外有源电感段贯通开口内并通过电绝缘电介质空间与外有源电感段分开的内有源电感段；形成在内有源电感段内的有源电感器贯通开口，所述有源电感器贯通开口形成相邻的第一外和内有源线圈段及相邻的第二外和内有源线圈段，相邻的第一外和内有源线圈段和相邻的第二外和内有源线圈段位于所述有源电感器贯通开口的两侧；及由相邻的第一外和内有源线圈段对或相邻的第二外和内有源线圈段对任一的每一个中的开口形成的至少一对对齐的有源部分电感段开口，相邻的第一外和内有源线圈段对或相邻的第二外和内有源线圈段对任一中的每一开口具有与分别同外和内有源线圈段接触面界面连接的有源线圈唇轮廓相符的有源电感段弓形线圈表面； 无源电感段还包括形成在外无源电感段贯通开口周围的外无源电感段；位于外无源电感段贯通开口内并通过电绝缘电介质空间与外无源电感段分开的内无源电感段；形成在内无源电感段内的无源电感器贯通开口，所述无源电感器贯通开口形成相邻的第一外和内无源线圈段及相邻的第二外和内无源线圈段，相邻的第一外和内无源线圈段和相邻的第二外和内无源线圈段位于所述无源电感器贯通开口的两侧；及由相邻的第一外和内无源线圈段对或相邻的第二外和内无源线圈段对任一的每一个中的开口形成的至少一对对齐的无源部分电感段开口，相邻的第一外和内无源线圈段对或相邻的第二外和内无源线圈段对任一中的每一开口具有与分别同外和内无源线圈段接触面界面连接的无源线圈唇轮廓相符的无源电感段弓形线圈表面，当外和内有源线圈段接触面面向外和内无源线圈段接触面且外和内有源线圈段接触面与外和内无源线圈段接触面电绝缘时，对齐的有源和无源部分电感段开口对形成至少一闭合开口 ； 向外有源电感段供应第一交流电流； 向内有源电感段供应第二交流电流；使外有源电感段和外无源电感段磁耦合，使得至少在形成于外有源电感段和外无源电感段中的线圈唇周围建立第一磁通场；及使内有源电感段和内无源电感段磁耦合，使得至少在形成于内有源电感段和内无源电感段中的线圈唇周围建立第二磁通场。
9.根据权利要求8的方法，其中在感应加热闭合开口中的至少一圆柱形构件时，至少改变第一和第二交流电流之间的相位关系、或第一或第二交流电流的频率、或第一和第二交流电流之间的时间定相。
10.根据权利要求8的方法，还包括步骤在感应加热闭合开口中的至少一圆柱形构件时旋转电感组件或工件。
11.根据权利要求8的方法，其中至少一唇间磁通集中器位于一对线圈唇的两侧之间。
12.根据权利要求8的方法，其中至少一与唇交叉的磁通集中器位于一对线圈唇的两侧之间。
13.根据权利要求8的方法，其中至少一唇间磁通集中器位于一对线圈唇的两侧之间， 及至少一与唇交叉的磁通集中器位于一对线圈唇的两侧之间。
14.用于感应加热金属工件的至少一圆柱形构件的电感器，所述电感组件包括 有源电感段，包括形成在外有源电感段贯通开口周围的外有源电感段；位于外有源电感段贯通开口内并通过电绝缘电介质空间与外有源电感段分开的内有源电感段；形成在内有源电感段内的有源电感器贯通开口，所述有源电感器贯通开口形成相邻的第一外和内有源线圈段及相邻的第二外和内有源线圈段，相邻的第一外和内有源线圈段和相邻的第二外和内有源线圈段位于所述有源电感器贯通开口的两侧；由相邻的第一外和内有源线圈段对或相邻的第二外和内有源线圈段对任一的每一个中的开口形成的至少一对对齐的有源部分电感段开口，相邻的第一外和内有源线圈段对或相邻的第二外和内有源线圈段对任一中的每一开口具有分别与外和内有源线圈段接触面界面连接的有源电感段弓形线圈表面；及用于将外有源电感段和内有源电感段连接到一个或多个交流源的装置； 无源电感组件，包括形成在外无源电感段贯通开口周围的外无源电感段；位于外无源电感段贯通开口内并通过电绝缘电介质空间与外无源电感段分开的内无源电感段；形成在内无源电感段内的无源电感器贯通开口，所述无源电感器贯通开口形成相邻的第一外和内无源线圈段及相邻的第二外和内无源线圈段，相邻的第一外和内无源线圈段和相邻的第二外和内无源线圈段位于所述无源电感器贯通开口的两侧；及由相邻的第一外和内无源线圈段对或相邻的第二外和内无源线圈段对任一的每一个中的开口形成的至少一对对齐的无源部分电感段开口，相邻的第一外和内无源线圈段对或相邻的第二外和内无源线圈段对任一中的每一开口具有分别与外和内无源线圈段接触面界面连接的无源电感段弓形线圈表面；用于在外有源线圈段接触面面向外无源线圈段接触面且外有源线圈段接触面与外无源线圈段接触面电绝缘时使外有源电感段与外无源电感段磁耦合的装置；及用于在内有源线圈段接触面面向内无源线圈段接触面且内有源线圈段接触面与内无源线圈段接触面电绝缘时使内有源电感段与内无源电感段磁耦合的装置；藉此，对齐的有源和无源部分电感段开口对形成闭合开口，其中当外和内有源线圈段接触面分别面向外和内无源线圈段接触面且外和内有源线圈段接触面与外和内无源线圈段接触面电绝缘时，至少一圆柱形构件被感应加热，及外和内有源电感段连接到一个或多个交流源。
15.根据权利要求14的电感组件，其中相邻的第一或第二外和内有源或无源电感段对的至少一个中的弓形线圈表面为轮廓相符的一对线圈唇。
16.根据权利要求15的电感组件，其中所述轮廓相符的一对线圈唇成形为有选择地补偿与至少一圆柱形构件相邻的不规则形状构件的不规则质量、至少一圆柱形构件表面上的开口、或选择性加热不规则形状构件和至少一圆柱形构件之间的圆角区域。
17.根据权利要求15的电感组件，还包括位于轮廓相符的线圈唇对的两侧之间的至少一唇间磁通集中器。
18.根据权利要求15的电感组件，还包括至少一与唇交叉的磁通集中器，所述至少一与唇交叉的磁通集中器在偏离轮廓相符的线圈唇对的尖部一距离处部分嵌入在轮廓相符的线圈唇对的每一线圈唇中。
19.根据权利要求15的电感组件，还包括位于轮廓相符的线圈唇对的两侧之间的至少一唇间磁通集中器，及至少一与唇交叉的磁通集中器，所述至少一与唇交叉的磁通集中器在偏离轮廓相符的线圈唇对的尖部一距离处部分嵌入在轮廓相符的线圈唇对的每一线圈唇中。
20.根据权利要求14的电感组件，还包括在至少一圆柱形构件位于至少一闭合开口中时使电感组件或金属工件旋转的驱动器。
全文摘要
本发明提供了用于感应加热形状复杂工件的一个或多个构件的装置和方法。所述构件位于由形成在对置电感段中的对置弓形线圈结构对形成的开口内。一电感段由连接到一个或多个电源的、电绝缘的内和外有源电感段形成，另一电感段由分别与内和外有源电感段磁耦合的、电绝缘的内和外无源电感段形成。改变一个或多个电源的输出电参数可控制沿工件横向宽度的感应淬火，在对置的弓形线圈结构对之间可选地具有磁通集中器。
文档编号H05B6/44GK102282911SQ201080004792
公开日2011年12月14日 申请日期2010年1月16日 优先权日2009年1月17日
发明者D·L·那弗莱斯, D·R·布朗, G·A·窦勇, G·C·德斯米尔, T·G·鲍西, V·I·鲁德莱夫 申请人:感应加热有限公司