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" Nouveau proaédé de traitement thermique des aorps oreux par l'intérieur et dispositif de chauffage par induation poar la mise en oeavre de ce procédé ".
La présente invention se rapporte, de manière générale, au chauffage, de l'intérieur et par induction, de corps creux métalliques on de leurs parois, par exemple lorsque les parois oa autres parties à chauffer sont inaccessibles, ou dans le
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cas de corps auxquels on peut accéder de l'extérieur, lorsqu' on désire chauffer une partie voisine de la surface intérieu- re, sans que les parois extérieures plus ou moins éloignées soient indûment chauffées.
Une des applications pratiques du procède est le chauf- fage des parois d'un tambour de frein en vue d'un traitement thermique quelconque, soit qu'il s'agisse de trempe, de nor- malisation ou de recuit, soit qu'il s'agisse d'obtenir un ré- sultat permanent ou un effet utile comme phase intermédiaire d'un procède et ceci dans le cas où la surface extérieure du tambour est rendue inaccessible pour l'application d'enroule- ments inducteurs, par exemple en raison du fait que cette sur- face extérieure présente des nervures, des saillies ou d'au- tres protubérances, soit dans le cas où l'on désire que le traitement thermique soit limité plus ou moins à la surface intérieure, ou commence au moins à la dite surface.
Une autre application pratique de grande importance du procédé en question consiste dans la fabrication en série des moyeux de roues des voitures automobiles, des moyeux solidai- res du plateau arrière du tambour de frein, ou des moyeux so- lidaires du tambour de frein dans le cas où l'on désire sup- primer la bague intérieure ou pièce oylindrique de roulement en matière trempée ( bague ou cylindre qui sont à l'ordinaire des pièces distinctes du moyeu ) et tremper en revanche la partie cylindrique intérieure du dit moyeu, afin que oelle-ci puisse agir directement comme surface portante ou chemin de roulement pour des paliers à rouleaux.
Une autre application de l'invention consiste dans la fabrication d'un cylindre à parois minces possédant une ré- sistance élevée à l'usure, une grande résistance mécanique et un poids minimum.
Le problème qui se présente dansle cas envisagé consiste
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à porter la partie intérieure du moyeu à la température re- quise avant que la chaleur puisse être transmise par conduc- tion et en quantité suffisante aux parties les plus éloignées du moyeu de manière à élever de façon indue la température de oelle-ci.
On aonnatt déjà le moyen oonsistant à ahauffer les pa- rois d'un corps creux ou la partie extérieure des parois d' un corps creux par induction et à ltaide d'une bobine entou- rant le dit corps, oette bobine comportant un circuit magné- tique constitué en grande partie par de l'air ou par de la matière non magnétique, sauf le corps à chauffer qui fait partie du circuit magnétique et qui peut être fait en matiè- re magnétique. Il a été constaté que ce procédé n'est ni pra- tique, ni économique pour le chauffage de l'intérieur de la façon exposée oi-dessus, en particulier dans le cas où il est nécessaire de chauffer rapidement des corps creux de faible diamètre intérieur, de l'ordre de 30 centimètres et au-des- sous.
Des tentatives pour effectuer un tel chauffage intéri- eur, à l'aide des bobines d'induction usuelles sans noyau, ont échoué apparemment en raison de ltimpossibilité de faire passer un courant suffisant à travers la bobine pour effeo- tuer le travail nécessaire dans le temps requis, sans dété- riorer la bobine et ( ou ) les conducteurs.
Le demandeur a constaté qu'on pouvait mettre en oeuvre une quantité considé- rable d'énergie en munissant la bobine d'induction, ou l'en- roulement hélicoïdal, d'un noyau intérieur de perméabilité élevée, constitué de préférence par des lamelles radiales ou de construction équivalente, de manière à obtenir un noyau à perméabilité élevée, mais résistant aux courants parasites et en particulier aux courants induits, ayant tendance à cireu- ler normalement à la direction du flux magnétique.
Lorsque le
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noyau est destiné à supporter des températures élevées, il est préférable de construire le dit noyau en an alliage d' acier ayant une composition telle qu'il puisse garder ses pro- priétés magnétiques aux températures élevées et par exemple en aoier au cobalt et au nickel contenant an pourcentage éle- vé de cobalt, par exemple 70 % environ. Le noyau est établi de manière à former an circuit magnétique qui se ferme avec un entrefer minimum sur la paroi ou le corps de ltobjet à chauffer qui est ordinairement en fer ou en alliage de fer.
Cette possibilité de mettre en oeuvre des quantités éle- vées d'énergie est essentielle lorsqu'il est nécessaire de tremper la surface cylindrique intérieure du moyeu d'une roue d'automobile fait en fer ou en alliage de fer, tout en évitant un chauffage des parties éloignées du moyeu, chauffage qui se- rait de nature à altérer les quantités normales ou les quali- tés désirées du moyeu.
En conformant le noyau feuilleté de telle manière qu'il entoure la partie intérieure et la partie extrême de la bobine inductrice et qu'il forme avec la partie de la pièce de fer à chauffer une enveloppe ou carter sensiblement complet pour la bobine, on obtient un flux magnétique confiné dans le dit noy- au et dans la dite partie de la pièce à traiter et il en ré- sulte l'avantage que les accessoires voisine ou les éléments de construction du noyau; accessoires et éléments tels que les bagues immobilisant les lamelles et le mandrin de centrage destiné à centrer la bobine d'induction dans le moyeu, ne sont pas traversés par une quantité sensible de flux magnétique; ils en sont au moins protégés à un degré suffisant pour évi- ter un chauffage indu, par induction, des accessoires préai- tés.
L'invention a encore pour but de réduire de diverses manières la reluctanae de celle des parties du circuit magné-
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tique de l'enroulement de chauffage qui est située à l'inté- rieur de la pièce creuse) de telle façon que cette reluotance ait une valeur comparable à celle de la reluotanoe de la par- tie du circuit magnétique située à l'extérieur du oorps creux, lorsque le dit corps creux est entouré par un enroulement.
Un tel résultat peut être réalisé grâce à la disposition d' un noyau magnétique intérieur. Le traitement thermique par induction des surfaces extérieures des pièces de section cir- culaire est réalisé aisément à l'aide d'enroulements ne com- portant pas de noyaux magnétiques extérieurs,en raison du fait que la section transversale de la partie aérienne du cir- cuit magnétique est pour ainsi dire illimitée et qu'elle as- sure par conséquent une reluctance suffisamment faible. Toute- fois)lorsque la pièce en traitement elle-même, par exemple dans le cas de traitement thermique de surfaces intérieures des objets creux, constitue la partie extérieure du circuit magnétique de la bobine ou de l'enroulement de chauffage, cet- te situation se trouve inversée.
Du fait que la partie aérien- ne du circuit magnétique, partie placée à l'intérieur de la pièce à travailler, est circonscrite par celle-ci, sa section se trouve ainsi limitée et par consséquent la reluctance de cette partie du circuit se trouve augmentée. Lorsqu'on traite des corps creux de faible diamètre, tels par exemple que les moyeux de roues de voitures automobiles, la section de la partie considérée du circuit magnétique devient tellement ré- duite que la reluotanoe peut atteindre une valeur 10 ou 12 fois plus grande que oelle de la partie aérienne du circuit magnétique de l'enroulement de chauffage lorsque celui-ci est utilisé pour le traitement de surfaces extérieures.
Le deman- deur oroit que c'est là la raison des échecs qu'ont subi les tentatives de chauffer des corps creux à l'aide d'inducteurs sans noyau, raison qui n'a pas été prise en considération
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jasqulioi. La quanti4 d'énergie nécessaire pour le traite- ment thermique, à l'aide d'un inducteur sans noyau, d'une pièce creuse de diamètre relativement faible, pièce telle qu' un moyeu. de roue de véhicule automobile, serait non seulement
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prohibitive au point de vue éoonomique, elle entraînerait en- core des difficultés d'ordre pratique;
il serait en effet impossible en pratique de loger dans un espace ainsi limité
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une bobine inductrice de dimensions suffisantes pour véhicu- ler les courants d'intensité maximum permettant à l'induoteur
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sans noyau à'engendrer le flux requis pour un tel traitement thermique.
Un autre aspect de l'invention consiste à mettre en oeuvre une quantité d'énergie assez élevée pour déterminer, dans la pièce areuse dont la paroi intérieure subit un trai- tement thermique, un état dTautofrettage en vue d'un renfor-
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3ement effectif des parois. 2ar les mots état cltautofrettage, le demandeur désigne une telle distribution d'efforts de com- pression ( dans la paroi intérieure ayant subi un traitement thermique ) et a-efforts de tension ( dans la paroi extéri- eure non traitée par de la chaleur gradée à laquelle la pointe de la courbe de tensions de la paroi ( entre la face intérieure et la face extérieure de celle-ci ) finit par s'
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arrondir.
Ltantofrattage a été appliqué en artillerie, où il a été réalisé à l'ordinaire soit par contraction de tubes, bagues ou bandes de renforcement extérieurs, soit par com-
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pression effectuée de Itintérieur des zones internes de la paroi soumises à une pression hydraulique élevée;
toutefois à la connaissance du demandeur 1 lJautofrettage nta jamais été réalisé jazqu'ici, dans le cas de parois sans solution de con- tinuité, par traitement thermique par in&uotion, Conformément au procédé obje't de 1 tinvention1on réalise l'aut0frettage par la mise en oeuvre 4te qaantité élevée
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d'énergie et par un chauffage extrêmement rapidede manière à éviter des chutes graduelles de température entre celle des régions intérieures qui est chauffée au delà du point de re- oalesoenoe et oelle des régions extérieures qui est mainte- nue à une température suffisamment basse pour qu'elle contri- bue efficacement à la trempe, c'est-à-dire quton détermine une chute brusque de température entre les deux zones en question,
après quoi on cesse brusquement le chauffage dès que la température désirée est atteinte, et on procède à la trempe avant que se soit produit un ohangement dans le rap- port entre les températures respectives des régions de la pièce traitée ; cette trempe est effeotuée brusquement ( et uniformément en ce qui concerne la région portée à la tempé- rature de reoalesoenoe ),de manière à déterminer un changement brusque dans la dureté da métal, en allant de la région inté- rieure ohauffée vers la région extérieure non chauffée; de plus,la région durcie présente une dureté accrue uniforme . tandis que la région extérieure conserve régulièrement sa du- reté normale non affectée par le traitement thermique.
L'in- vention prévoit ensuite la réalisation de l'état dfautofret- tage et l'augmentation de la résistance par le réglage du de- gré de dureté et de lépaisseur de la région intérieure dur- cie, comparée à celle de la région extérieure non durcie, de telle faon que la courbe des tensions de l'épaisseur totale dans la paroi soit de nature à augmenter la résistance maxi- mum de oelle-oi.
L'invention porte également sur un objet creux à parois solidaires faites en une seule et même pièce et se trouvant à l'état d'autofrettage de manière à augmenter dans une pro- portion très considérable la résistance du dit objet.
Ceci supplique en particulier aux pièces comportant des parois relativement minces et de diamètre relativement
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faible de l'ordre de ceux des alésages des moyeux de roues des voitures automobiles ou des cylindres de moteurs, etc...
Dans la fabrication en série de certains objets il a été constaté qu'il était possible et extrêmement avantageux de faire varier légèrement la forme de l'objet à traiter, en particulier celle du moyeu, d'une roue, afin de le rendre plus susceptible d'être chauffé rapidement par induction avec des pertes minimum de puissance et de chaleur, sans amoindrir la résistance mécanique et sans qa'il résulte un préjudice quel- conque pour les fonctions mécaniques désirées du dit moyeu.
Les bats et les avantages ci-dessus exposés et divers autres avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au cours de l'exposé qtzi va suivre, avec référence au dessin annexé. sur ce dessin :
La figure 1 est une coupe longitudinale le long de l' axe d'un mode de réalisation préféré de l'invention. on a montré en élévation sur cette figure une partie du noyau cen- tral ;
La figure 2 est une vue.partielle de détail montrant en élévation une partie de la bague d'espacement des lamelles ;
La figure 3 est une vue partielle en perspective et à plus grande échelle d'un autre mode de réalisation du conduc- tear tabulaire ;
Les figures 4 et 5 sont respectivement des vues en plan et en coupe d'un autre mode de réalisation des lamelles ;
La figure 6 est une vue schématique en élévation de face d'un groupe d'éléments chauffants ;
La figure 7 est une vue en plan du dispositif montré sur la figure 6.
Les figures 8 et 9 sont respectivement des coupes par ¯un plan vertical et par un plan horizontal de la partie, trai-
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tée thermiquement, d'un moyeu de roue dtune voiture automo- bile, cette partie étant à l'état d'autofrettage;
Les figures 10 et 11 sont respectivement des coupes transversales suivant ltaxe d'un mode de réalisation perfec- tionné de l'appareil; ces figures expliquant le procède per- fectionné, objet de l'invention, conformément auquel on obtient une trempe complète et immédiate.
La figure 10 montre à la fois ltenroulement pour le traitement thermique et le dispo- sitif dispersion en position de travail par rapport à la pièce à traiter ; la figure 11 montre le dispositif dtasper- sion en état de fonctionnement, ltenroulement étant enlevé;
La figure 12 est une oourbe indiquant la dureté des diverses parties de la paroi ( dans le sens de ltépaisseur ) et le rapport qui existe entre les régions intérieure et ex- térieure de la dite paroi ;
La figure 13 est, à échelle très agrandie, une aoupe partielle, par un plan horizontal, de la paroi dtune pièce traitée oonformément à l'invention; on voit sur cette figure la distribution des efforts à l'intérieur de la dite paroi, respectivement avant et après le traitement ;
La figure 14 est une élévation de coté, avec coupe par- tielle montrant un dispositif de refroidissement extérieur au cours du chauffage ;
La figure 15 est une coupe verticale d'un cylindre trai- té oonformément à la présente invention;
La figure 16 est une vue en coupe, suivant la ligne 16-16 de la figure 15 ;
La figure 17 est une coupe verticale schématique mon- trant les positions respectives de l'appareil et de la pièce traitée au cours du traitement thermique ;
La'figure 18 est une vue schématique analogue à oelle de la figure 15 et montrant les positions respectives de l'
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appareil et de la pièce traitée au cours de la trempe.
Comme on le voit sur le dessin, et en particulier sur les figures 1 et 2, l'invention,qui y est représentée,stap- plique au chauffage interne d'un moyeu d'une roue d'automo- bile en vue de soumettre à un traitement thermique une par- tie solidaire du dit moyeu et destinée à fonctionner comme chemin de roulement.
Le moyeu 1 peut faire partie soit d'un ensemble consti- tué par un moyeu et par an tambour de frein solidaires l'un de l'autre, soit d'un ensemble formé par un moyeu et par la partie arrière d'un tambour de frein également solidaire, il peut aussi être constitué tout simplement par un moyeu de roue d'un type connu, quelconque comportant a l'intérieur, un chemin de roulement d'un palier à. rouleaux.
Le moyeu est pour- vu, à son extrémité extérieure, d'un alésage conique usuel 2 destiné à recevoir l'essieu et, à son extrémité intérieure, d' un alésage 3, de dimensions relativement importantes/qui est destiné à former chemin de roulement à rouleaux et qui aompor- te, sur sa paroi intérieure,une partie 4 à saillie radiale di- rigée vers 1=intérieur, partie solidaire du moyen et formant chemin de roulement d'un palier à rouleaux.
C'est cette partie de moyeu qui, dans le cas présent, doit être trempée,sur sa surface intérieure et au voisinage de celle-ci,par un traite- ment thermique convenable localisé afin qutelle puisse rempla- oer une pièce rapportée usuelle en acier trempée utilisée com- me chemin ou bagne de roulement d'an palier à rouleaux.
Le moyeu, montré sur le dessin est du type comportant une partie arrière d'un tambour de frein solidaire du moyeu, dé- signée par 5. Le moyeu, possède la section transversale usuelle avec certaines différences de nature à favoriser le traitement thermique par induction, ainsi qu'on le décrira plus loin, sans qu'il en résulte un préjudice quelconque pour les propriétés
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mécaniques désirées du moyeu et sans que sa résistance méca- nique s'en trouve diminuée.
La différence avec les moyeux de forme connue consiste principalement dans une légère rédaction de la section annu- laire 6, rédaction qu'on obtient en creusant ( de l'intérieur vers ltextérieur ) la partie annulaire évidée 7 et en ajoutant des éléments de renforcement en métal sous forme de nervures 8, afin de compenser le métal éliminé, ces nervures s'étendant dans le sens longitudinal et axial de façon quelles soient disposées dans des plans sensiblement perpendiculaires au tra- jet des courants induits.
La partie 6 peut également être ré- duite par élimination d'une partie du métal sur sa surface ex- térieure et par substitution à cette partie du métal, de ner- vures de renforcement disposées de manière à présenter une sur- faoe rayonnante maximum et orientées de toute façon appropriée pour que l'impédance aux courants induits soit portée au maxi- mum. La. construction indiquée en dernier lieu peut remplacer oelle mentionnée en premier lieu ou peut être combinée avec celle-ci. On remarquera toutefois qu'en creusant vers l'exté- rieur l'évidement 7 et en utilisant des nervures de renforoe- ment 8,on accentue la démarcation de la partie du chemin de roulement annulaire qui s'étend vers l'intérieur et l'on oon- tribue ainsi à looaliser la chaleur engendrée dans celle-ci.
A ltintérieur du moyeu et à une très faible distance de la surface intérieure 3 de la partie du moyen formant chemin de roulement d'un palier à rouleaux est disposé l'élément de chauffage par induction qui comporte, de manière générale, un enroulement induoteur hélicoidal 9 constitué par un conducteur tubulaire 10 et un noyau feuilleté 11 creux, de forme cylin- drique et de perméabilité élevée, ce noyau s'étendant clans le sens radial et vers l'extérieur au-delà des extrémités supéri- eure et inférieure de l'enroulement hélicoidal pour aboutir au
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voisinage immédiat de la paroi intérieure du moyen;
les spi- res de l'enroulement conducteur hélicoïdal sont isolées aon- venablement du noyau et entre elles à l'aide d'au manohon 12 et des rondelles 13 en mica oa autre matière isolante. L'in- vention prévoit également l'utilisation, aa lieu du manohon et ( ou ) des rondelles de mica, d'un émail isolant,de forme connue oa de toute autre forme aonvenable.
L'élément chauffant est de construction robuste, il est porté fermement par un mandrin 14 dont l'extrémité supérieure est de forme conique de manière à venir s'appliquer intimement contre les parois de l'alésage oonique du moyeu; ce mandrin comporte dans sa partie inférieure un alésage disposé dans le sens de l'axe et destiné à recevoir de l'eau de réfrigération, comme on l'expliquera ci-après.
Les lamelles du noyau 11 sont disposées radialement au- tour du mandrin 14 et sont serrées sur celui-ci à l'aide de la bague de serrage supérieure 16,qui est fixe,et de la bague de serrage inférieure 17,qui est mobile ; leserrage de celle- ai par poussée vers le haut contre les lamelles est assuré par l'anneau 18, par la rondelle 19 et par l'écrou de serrage oa chapeau taraadé 20 qai vient se visser sur la partie inféri- eure 21 de section réduite du mandrin 15.
pour espacer angu- lairement les lamelles du noyau 11, on loge chacune des par- ties inférieures extérieures de ces lamelles dans des fentes radiales 22, également espacées angalairement, ménagées sur la face supérieure da bord périphérique 23 de l'anneau 18 for- mant base, Le dit anneau 18 maintient ainsi les lamelles mon- tées sur le mandrin, dans leur position radiale appropriée, tandis que les bagues de serrage 16 et 17 assurent le bon con- tact, au point de vue thermique,;.entre les lamelles et le man- drin, ce qui facilite grandement l'échange de chaleur entre le noyau et le mandrin refroidi par. de l'eau.
L'espacement
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angulaire des lamelles assure un isolement parfait de celles- ci entre elles aux endroits où la densité du flux atteint sa valeur maximum. La. borne inférieure 24 de l'enroulement con- duateur est prolongée vers le bas ; elle traverse un orifice 25 prévu dans l'anneau 18 formant base. anneau par rapport auquel elle est isolée par l'air, un intervalle approprié étant ména- gé entre ltanneau et la borne, quoiqu'on puisse utiliser à cet effet un isolant solide convenable, oe prolongement est destiné à établir une aonnexion éleotrique aveo une source con- venable de dourant alternatif;
il peut être relié de plus à une source aonvenable de fluide réfrigérant non montrée sur le dessin et qui peut être de toute forme convenable ( connue ou autre ) alors que la borne supérieure 22' se prolonge à lt intérieur de l'alésage intérieur 26 du mandrin et traverse ainsi un orifioe 27 prévu dans la paroi de la partie creuse du mandrin, la liaison entre la borne supérieure et l'alésage 26 du mandrin étant étanche aux fluides;
la liaison électri- qué de la borne supérieure de l'enroulement avec l'autre pôle de la source de aourant, de même que les connexions avec le passage pour le fluide, est parachevée par le mandrin lui-même par une connexion électrique appropriée et par un serrage étanohe aux fluides de l'écrou 20, dont l'extrémité inférieure est pourvue à oet effet dtun orifice tarandé 28.
Il oonvient de plus d'isoler la borne supérieure de l' enroulement hélicoïdal par rapport au mandrin qui le supporte et par rapport au noyau feuilleté en étendant vers le bas et à travers le mandrin, un prolongement isolé du conducteur tu- bulaire, prolongement qui est utilisé pour l'établissement des connexions électriques extérieures et pour l'amenée du fluide. L'élément de chauffage est supporté par un soole 29 et à l'aide d'un anneau 30 formant siège.
Les proportions respectives des organes de l'élément de
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ehauffage et de l'objet à traiter sont choisies de telle fa- on que, lorsque le moyeu 1 est placé par an mouvement descen- dant sur l'élément de chauffage 2, celui-ci soit convenable- ment centré et disposé à l'intérieur du moyeu, à l'aide du prolongement aonique supérieur 15 da mandrin;
l'épaulement supérieur de la bague de serrage 16 et la surface extérieure des spires de l'enroulement conducteur hélicoïdal ou de l'in- ducteur seront alors disposées parallèlement à ( et au voisi- nage immédiat de ) la surface intérieure de la partie annu- laire du moyeu qu'il s'agit de soumettre à un traitement ther- mique, partie destinée à former palier, tandis que l'enroule- ment hélicoïdal sera entouré ou enveloppé à peu près entière- ment, c'est-à-dire en partie par le corps du moyeu et en par- tie par le noyau feuilleté 11, qui s'étend au-delà de la sur- face intérieure de l'enroulement hélicoïdal et autour de cet- te surface, alors qu'il s'étend radialement et vers l'exté- rieur au delà des bords supérieurs et inférieurs du dit en- roulement.
Il est clair que la construction qui vient d'être décrite asaure Une concentration extrême de l'énergie électro- magnétique avec des pertes minimes dues aux fuites magnétiques ou à la dissipation de flux et aux oourants induits, pour aug- menter encore cette concentration de l'énergie électro-magné- tique, en particulier lors de l'utilisation de fréquences éle- vées, on peut donner au conducteur tabulaire, avec lequel on constitue l'enroulement hélicoïdal, la forme montrée sur la figure 3.
Dans ce mode de réalisation,le conducteur comporte une paroi extérieure relativement épaisse, une paroi intéri- eure et des parois supérieure et inférieure qui sont relati- vement minces, la paroi extérieure servant principalement de conducteur du courant d'excitation, tandis que les parois su- périeure et inférieure et,la paroi intérieure servent princi- palement à contenir le fluide réfrigérant. Toutefois, dans
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bien des cas, lorsque les conditions imposées ne sont pas ri- goureuses, le conducteur peut être plein, de section rectan- gulaire ou circulaire et de poids relativement important.
Four réduire le pouvoir d'absorption du conducteur par rapport à la chaleur rayonnée par la surface de la pièce à travailler et pour maintenir ainsi à la même valeur la con- ductibilité, on peut plaquer et polir la surface extérieure du conducteur en vue de la rendre réfléchissante à un degré élevé. Quoi qu'il soit déjà. connu de réaliser l'isolement thermique par réflexion, l'utilisation de ce mode d'isolement dans le but qui vient d'être indiqué et le dispositif dans le- quel il est réalisé semblent être nouveaux et brevetables.
'Un autre avantage de la surface réfléchissante telle qu'elle est utilisée dans le cas présent oonsiste dans le fait que ) tout en permettant d'éviter le chauffage du conducteur par absorption de la chaleur rayonnée par la pièce à travailler, elle détermine un chauffage rapide de celle-ci en raison de l'effet de réverbération qui se produit entre la surfaoe ré- fléchissante et la pièce traitée.
Il est préférable de reoou- vrir le conducteur dtun revêtement de chrome .par exemple ( ce revêtement étant oxydé .de manière à obtenir une pellicule à grand pouvoir isolant au point de vue électrique ) et, après qu'il a été monté sur l'appareil de chauffage, de brunir ou de polir par tout autre moyen approprié,sa surface extérieure de façon à obtenir une surface à très grand pouvoir réfléchis- sant et dont les propriétés isolantes, au point de vue ther- mique, soient élevées.
L'invention prévoit également le moyen consistant à aug- menter la perméabilité au flux du noyau feuilleté en amenui- sant les lamelles vers l'intérieur et dans le sens radial, com- me on l'a montré sur les figures 4 et 5, de telle façon que les lamelles 35 soient en contact les unes avec les autres
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suivant des plans radiaux et forment, en effet, un noyau annu- laire sensiblement confina. Dans ce mode de réalisation, on peut, bien entendu, isoler les lamelles entièrement ou en par- tie de toute manière appropriée quelconque et par exemple par oxydation.
Au cours du fonctionne ment. la borne 24 et l'éorou de serrage 20, qui constituent les bornes électriques de l'enrou- lement hélicoïdal inducteur, sont reliées, par l'intermédiaire des conducteurs 31 et 32, à une source convenable 33 de cou- rant alternatif,de préférence de fréquence élevée, le circuit ainsi établi étant commande par un interrupteur convenable, ou par un autre dispositif analogue,indiqué schématiquement en 34. A la suite de l'application d'un tel courant, l'enroule- ment hélicoidal inducteur est excité et détermine ainsi la production d'un :flux magnétique intense concentré dans le noy- au 11 et dans la partie 4 du moyeu servant de chemin de roule- ment annulaire.
En raison de la disposition mécanique et élec- trique des organes assemblés, les courants induits sont oon- centrés dans la partie la plus intérieure de l'élément 4 for- mant palier, ce qui a pour effet de porter la température de la dite partie 4 à celle de la trempe, après quoi on coupe le courant et on enlève le moyen qu'on refroidit immédiatement de manière à obtenir la trempe looale désirée.
Pendant l'exoitation de l'enroulement hélicoidal 9, on dissipe une partie de la chaleur emmagasinée dans l'élément chauffant en faisant circuler un fluide réfrigérant convena- ble à l'intérieur des conducteurs creux de l'enroulement hé- licoidal 9 et de l'alésage central 26 du mandrin 14. Comma le mandrin précité est en parfait contact, au point de vue ther- :nique, avec le noyau magnétique 11, il se produit entre ces deux éléments un échange de chaleur, de façon à refroidir le noyas magnétique.
La circulation du fluide réfrigérant est,
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de préférence, maintenue de façon continue, afin de continuer le refroidissement de Isolément chauffant après que l'excita- tion de l'enroulement a cessé et que le moyen a été enlevé.
Au cours de l'opération de chauffage .lorsque la tempé- rature de la partie intérieure extrême de l'élément 4 servant de palier atteint une valeur correspondant à la recalescence, la zone de densité de courant maximum se déplace vers l'exté- rieur, mais la quantité dténergie mise en oeuvre atteint une valeur tellement élevée que la production de chaleur dans la. partie extérieure ( en raison du dit déplacement vers l'exté- rieur de la densité de courant maximum ) et tout chauffage indésirable de la partie extérieure, par conduction de la cha- leur provenant de la partie intérieure, ne pourront avoir lieuavant que la partie intérieure ntait été portée à la tem- pérature de trempe désirée.
En fait, oette élévation de tem- pérature se produit si rapidement que les parties annulaires extérieures et autres zones voisines resteront assez froides pour contribuer au refroidissement ou à la trempe de l'élé- ment 4 servant de palier, et des parties extérieures et voi- sines qui restent bien au dessous de la température de trempe, afin que les parties restantes du moyeu oonservent les carac- téristiques mécaniques désirées.
Sur les figures 8 et 9,on a montré une pièce ayant subi le traitement thermique complet oonformément au procédé ci- dessus exposé et possédant, à la suite du dit traitement,des parois à l'état d'autofrettage. Les diverses parties de la pièce montrée sur ces figures, parties identiques à celles représentées sur la figure 1, sont désignées par les mêmes chiffres de référence, on a désigné en particulier par 55 la zone trempée par traitement thermique ( zone hachurée à traits rapprochés ),tandis que la zone extérieure /non chauffée de du- reté normale, dureté correspondant à oelle que le métal pré-
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sente avant le traitement thermique, a été désigne par 56.
La. zone intermédiaire reliant les deux zones en question est désignée par le chiffre de référence 57.
Sur la figure 2. on a représenté la courbe des duretés des diverses parties de la paroi en allant de l'intérieur ( partie de gauche de la figure ) .vers l'extérieur ( partie de droite de la même figure ); on a adopté,comme échelle des duretés.l'échelle Rockwell 0.
La dureté normale de la zone extérieure 56 est de l'or- dre de 10;tandis que dans la zone intérieure,traitée par l' application de chaleur, elle est de 58 à 60 environ. Les zones extrêmes et la zone intermédiaire sont désignées sur le sché- ma de la figure 12 par des lignes indiquant les dimensions et par les mêmes chiffres de référence que sur les figures 8 et 9.
Il y a lie u de remarquer que la dureté de la zone inté- oelle rieure 55,ayant subi un traitement thermique.et/de la zone extérieure 56, non traitée thermiquement, sont sensiblement uniformes dans le sens radial. Il y a lieu d'observer ensuite que la zone intermédiaire 57 est de très faible épaisseur (de l'ordre de 7/10 de m/m ). Le passage entre la zone trempée 55 et la zone non trempée 56 est donc extrêmement brusque. outre les duretés uniformes des zones respectives 55 et 56 et le passage brusque entre celles-ci, il y a lieu de noter surtout les particularités caractéristiques ci-après,qui con- tribuent toutes à augmenter considérablement la résistance de la pièce traitée, en raison de l'autofrettage.
L'épaisseur ( dans le sens radial ) de la zone trempée est sensiblement uniforme sur toute la longueur et sur tonte la largeur de l' anneau formé par la dite zone. La pièce n'a pas subi de dis- torsion à la suite du traitement thermique ; elle conserve la même forme géométrique qu'elle avait avant le traitement. Elle
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n'a subi de déformation ni dans le sens axial, ni dans le sens radial. De plus.les dimensions de la surface intérieure de la zone 55 de la pièce finie n'ont pas été modifiées d'une quan- tité supérieure à 0,025 ou 0,05 m/m.
Tous ces faits, pris dans leur ensemble, ont pour conséquence d'augmenter effioa- oement la résistance de la pièce traitée et d'assurer une fa- brication économique.en raison de la rédaction au minimum des opérations d'usinage et de meulage de la surface trempée et parfois même en raison de la possibilité de supprimer les di- tes opérations. Le fonotionnement de la pièce ainsi obtenue se trouve amélioré, son homogénéité et sa durée sont augmen- tées ; elle résiste plus à l'usure et ses caractéristiques, quant à la fatigue, sont améliorées.
Ainsi quton l'a indiqué précédemment, cette uniformité de trempe dans la zone trempée est obtenue grâce à la durée extrêmement faible de la période d'application dténergie élec- trique, cette énergie étant appliquée en quantités très éle- vées de ltordre de 15 à 20 KW par 645 m/m2 de surface traitée de telle sorte qu'on ne oonstate qu'une minime baisse gradu- elle de température, et même pas de baisse graduelle du tout, entre la zone ohauffée et oette zone extérieure non chauffée qui, en raison de son état relativement non chauffé.contribue si efficacement à la trempe lorsque l'application d'énergie est interrompue brusquement,
oette trempe étant suivie ou ac- compagnée par une trempe brusque exercée à la fois par la ma- tière non chauffée de la zone extérieure 56 et par le disposi- tif de trempe auxiliaire. La quantité d'énergie mise en oeuvre est tellement importante que la zone 55 est portée à la tem- pérature de reoalesoenoe, et même quelque peu au delà de cet- te température en 1 à 2 secondes;
dans le cas de moyeux de roues de voiture automobile, que le demandeur traite couram- ment, l'énergie mise en oeuvre est celle correspondant à la
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pleine charge d'un générateur de 300 Kw, à fréquence de 2520 périodes, moins les pertes dues aux lignes de transport de faible longueur, et à facteur de puissance maintenu élevé à la fois par des capaoitances appropriées et ( ce qui importe de plus )par le noyau magnétique placé, conformément à l'in- vent ion, à l'intérieur du corps creux de faible diamètre et à paroi mince.
On peut utiliser un des dispositifs de trempe oonnus quelconques; ainsi,le demandeur a utilisé à cet effet des bains de trempe; on a montré toutefois sur les figures 10 et 11 un mode de réalisation perfectionné d'un appareil venant se placer au-dessus de celui montré sur la figure 1 et con- stitué par une tête d'arrosage 58. Cette tête d'arrosage est introduite par le creux du noyau 11 et lorsque le noyau 11 et l'enroulement 9 sont en position de fonotionnement par rapport à la pièce à traiter, la tête d'arrosage 58 est également en position de travail.
Toutefois,au cours de la période d'une ou de deux se- oondes pendant laquelle l'énergie déterminant l'induction est appliquée, le fluide réfrigérant n'est pas projeté par la tête d'arrosage 58. En fin de la période de chauffage.on retire brusquement le noyau 11 et l'enroulement 9 qu'il porte ( ce retrait étant effectué verticalement et suivant laxe de la tête d'arrosage, comme on le voit sur la figure 11) et en mê- me temps que la dite tête. Aussitôt que l'enroulement 9 a dé- masqué les orifices d'arrosage 59, le fluide réfrigérant est appliqué uniformément,par pression hydraulique et à l'aide de la tête d'arrosage 58sur toute la zone 55 ayant subi le trai- tement thermique ,
ce fluide passant ainsi par an grand nombre d'orifices 59 distribués uniformément, Ceci permet dtéviter les complications qu'entraîne l'usage des appareils pour la manutention rapide du moyen, ou même la manipulation rapide
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à la main de ce moyeu, et favorise grandement l'application industrielle du procédé et la fabrication de pièces en grande quantité. Grâce à l'utilisation de cette tête d'arrosage in- troduite par le creux du noyau magnétique et placée de maniè- re à pouvoir être mise en fonctionnement au cours de l'opéra- tion de chauffage, le prix de revient de l'appareil utilisé et les frais de main-d'oeuvre, lors d'une fabrication en quan- tité, se trouvent sensiblement réduits.
De pins,le changement brusque dans la dureté du métal dans la zone intermédiaire 57 peut être réglé par réglage de l'arrosage sans qu'il soit né- oessaire de réajuster ou de remanier la machine toute entière ou bien la suite des opérations.
On peut utiliser un fluide d'arrosage soit gazeux soit liquide on. bien un mélange de tels fluides; lorsqutil s'agit d'un liquideil est préférable de l'amener par l'ajutage,en quantité suffisante et à une vitesse suffisante/pour qu'il passe non seulement à travers l'orifice inférieur ménagé dans le moyeu,mais pour qu'il déborde encore le dit moyeu et qu'il passe.autour de la partie extérieure du corps du moyeu et au- dessus et autour de son rebord.
Il est aussi désirable, dans certains cas, et en parti- culier lors du traitement d'objets à parois minces, de refroi- dir ltextérieur de la paroi au cours de l'opération de chauf- fage. un dispositif pour réaliser oette combinaison d'opéra- tions est montré sur la figure 14 sur laquelle on a montré un ohapeau réfrigérant 70 qui s'étend vers le bas et qui recouvre la partie supérieure ( et de plus faible section ) de la paroi du moyeu/en laissant un espace 71 entre le moyeu et la paroi latérale intérieure du chapeau réfrigérant.
Un fluide réfri- gérant,et de préférence un gaz,est amené,par le moyen dtun tuyau flexible 72, d'un passage annulaire 73 et de conduits verticaux 74,vers la sortie )de forme annulaire, qui est diri-
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gée vers l'intérieur dans,le sens radial et,vers le haut,dans le sens de. l'axe, et d'où le fluide réfrigérant est dirigé vers le haut contre la paroi extérieure du moyeu.
Le fluide réfri- gérant se dirige vers le haut le long de la paroi extérieure du mayeu et aboutit ainsi à une cavité ou chambre dtéchappe- .fient annulaire 75 ; il s'échappe par les orifices d'échappe- ment 76 débouchant vers l'extérieur à travers la paroi laté- rale du chapeau et qui sont décalés en hauteur par rapport aux conduits ou canaux verticaux 74.
On comprendra qu'en don- nant des proportions convenables à la surface totale des ori- fices d'échappement et d'autres parties du dispositif et qu' en réglant convenablement la pression, on peut obliger le fluide à se diriger en totalité vers le haut et au delà des orifices d'échappement et même à déterminer un certain effet Venturi; ou bien on peut le faire circuler en partie vers le haut et en partie vers le bas, c'est-à-dire au-dessus et au- tour de la paroi extérieure du moyeu.
On pourra peut être se rendre mieux compte de la raison pour laquelle.on obtient l'augmentation de résistance de la paroi de la pièce creuse à parois minces en examinant le dia- gramme de tensions montré sur la figure 13. Sur cette figure les diverses zones du métal traité sont désignées par les mê- mes chiffres de référence 55, 56 et 57 que sur la figure 12.
Si l'on soumettait une pièce à parois minces, avant qu'elle ait subi le traitement thermique conformément à la présente invention, à des pressions intérieures appliquées uniformément à ses parois, comme l'indiquent les flèches 60, il en résulte- rait, entre les parties intérieure et extérieure de la paroi une distribution d'efforts telle qu'elle est représentée par la courbe 61 rapportée au rayonnes passant par l'épaisseur de la paroi, On remarquera que les efforts dé tenâion les plus élevés sont ceux appliqués aux surfaces disposées à l'intéri-
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eur de la zone 55 ;
ces efforts sont représentés par la pointe 63 de la courbe)tandis que les efforts les plus bas sont les efforts de tension quton obtient dans les surfaces les plus rejetées vers l'extérieur, c'est-à-dire les efforts représentés par l'extrémité inférieure 64 de la courbe 61. C'est la pré- sence des efforts correspondant à la pointe 63 de la courbe 61 et aux parties voisines de la dite pointe qui est la raison de la faible résistance de l'objet, lorsque celui-ci est sou- mis à une pression intérieure tendant à rompre le dit objet dans le sens radial.
Lorsque la zone 55 a été trempée par le procédé qui fait l'objet de l'invention et qu'elle est reliée à la zone extéri- eure 56 par la zone intermédiaire 57,d'épaisseur relativement faible, la matière dont est faite la paroi est soumise aux ef- forts primitifs.comme le montre la courbe 65, qui, ainsi qu'on le remarquera, part de l'intérieur au-dessous de la ligne 62, pour aboutir à l'extérieur, au-dessus de la même ligne 62.
Au-dessous de la ligne 62 et à l'intérieur de la zone 55, les efforts sont des efforts de compression de valeur négati- ve/par opposition aux valeurs positives des efforts de tension représentés par la courbe 61. Au-dessus de la ligne 62 et dans les limites de- la zone 56, les efforts de tension ont des va- leurs positives.
Or lorsque les efforts de rupture désignés par les flè- ches 60 sont appliqués à. l'intérieur de la pièce creuse, on obtient, au lieu d'une distribution d'efforts conforme à la courbe 61, une autre distribution d'efforts telle qu'elle est représentée par la courbe 66. Cette dernière courbe est la ré- sultante des efforts de la courbe 65, dus au traitement objet de l'invention, et des efforts de rupture qui se seraient ex- ercés, si la pièce n'avait pas subi le traitement en question.
Les efforts de oompression correspondant à l'extrémité 67 de
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la courbe 65,viennent se retrancher des efforts de tension de la courbe 61, qui s'exercent dans la même zone 55 et donnent ainsi la partie 68 de la courbe 66, tandis que les efforts de tension qui correspondent à l'extrémité 69 de la courbe 65, s' postent aux efforts de tension de l'extrémité 64 de la cour- be 61. Il en résulte un nivellement de tous les efforts qui/ sans cela.se seraient exeroés à l'intérieur de la pièce creuse, et une unification des efforts appliqués sur toute l'étendue de la matière dont est faite la pièce traitée. otest là la raison de l'augmentation considérable de la résistance de la pièce à la suite de l'autofrettage.
Des essais effectués sur les parois cylindriques de moy- eux traités conformément à l'invention, ont montré d'une façon concluante, que la partie intérieure de la paroi était soumise à la compression, tandis que la paroi extérieure était sous tension. ces essais consistaient à enlever des couches succes- sives de métal de l'extérieur et à mesurer le diamètre intéri- eur de la pièce après enlèvement de chacune des couches exté- rieures. Il a été constaté qu'au voisinage de l'extrémité ou- verte de la partie traitée de la cavité destinée à servir de chemin de roulement, le diamètre subissait une augmentation moyenne de 17/100 de mm, soit à peu près une augmentation de 1/4 de mm; ce résultat constitue la moyenne des mesures effec- tuées en trois sens différents, sur les diamètres intérieurs de trois moyeux différents.
Quoiqu'il ne soit pas possibleà l'heure actuellede préciser exactement les modifications qui se produisent dans la pièce creuse au cours du traitement thermique, modificati- ons qui déterminent l'état d'autofrettage, on oroit que cet état est dû en partie à l'écrouissage ( au delà. de la limite élastique ) diane zone intermédiaire, en raison de la dilata- tion, sous l'effet de la. chaleur,- d'une zone intérieure voisine
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et en partie aux modifications de struoture atomique accom- pagnant la transformation de la texture du métal dans la zone intérieure, texture qui devient martensitique, au lien de rester austentique.
Les figures 15 à 18 représentent an cylindre en alliage de fer ayant les propriétés qu'on cherche à réaliser par la mise en oeuvre de la présente invention. Sur ces figures le cylindre 101 est du type comportant une chemise d'eau, la di- te chemise 102 étant disposée entre la paroi intérieure 103 et la paroi extérieure 104.
La couche intérieure faisant par- tie intégrante du cylindre, couche figurée par la partie 105 à hachures plus denses et disposée derrière la ligne lo6 en traits interrompus, présente un degré de dureté supérieur et, pa.r conséquent une résistance plus élevée à l'usure; elle est soumise à la compression,tandis que les parties extérieures voisines sont soumises à la tension ; les degrés de compres- sion et de tension dans les zones différentes, et l'épais- seur relative de ces zones dans le sens radial étant de na- ture à établir un état de frettage optimum.
Sur les figures 15 et 16 on a montré, à titre d'exemple un rapport déterminé entre l'épaisseur de la paroi et celle de la zone trempée sous pression; il est toutefois évident que ce rapport peut varier dans de larges limites et que.dans le mode de réalisa- tion figuré qui représente un cylindre ayant des dimensions sensiblement réelles pour son utilisation dans un moteur à combustion, l'épaisseur de la paroi intérieure 103 est quel- que peu exagérée dans un but de clarté 1pour montrer les di- verses zones et que, en pratique, cette épaisseur est consi- dérablement plus faible, voisine de 3 mm ou à peu près de la moitié de l'épaisseur montrée sur le dessin.
Tandis que sur le dessin on a tracé une ligne peu épaisse ( ligne en traits interrompus ) entre la couche intérieure trempée et comprimée,
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et la couche extérieure soumise à des tensions, on comprendra qu'il existe une zône appréciable, quoique extrêmement étroite, servant de transition entre la zone oomprimée 105 et la par- tie extérieure voisine 103. pour que la pièce finie soit amenée à l'état précité, on utilise, conformément à l'invention, le dispositif qui est montré schématiquement sur les figures 17 et 18 et qui, de manière générale, est analogue au mode de réalisation des fi- gures 10 et 11.
Comme on le voit sur les figures 17 et 18, le dispositif comporte une bobine inductrice 107 destinée à être placée dans la cavité du cylindre 101 au voisinage immédiat de sa surface intérieure et à faire saillie au delà de chaque extrémité du cylindre précité.
Four augmenter considérablement Inefficacité de la bo- bine 107, on l'a munie d'un noyau intérieur 108, constitué par des feuillets radiaux et qui forme ainsi un noyau feuilleté solide s'étendant suivant l'axe de la bobine et comportant des épanouissements radiaux au delà des extrémités de la dite bo- bine et à ltextérieur de celle-ci. Afin de réduire au minimum les entrefers du circuit magnétique et de porter au maximum la perméabilité du dit circuit, on constitue les éléments an- nulaires 109 ( supérieur et inférieur ) de préférence par des feuillets magnétiques radiaux, ces éléments étant disposés de manière à pouvoir être amenés dans la position dans laquelle ils ferment l'entrefer aux extrémités de la bobine entre le moyeu intérieur et les extrémités de la pièce traitée 101.
On peut réaliser de toute manière convenable le déplace- ment axial de la bobine de chauffage 107 et de son noyau 108 vers l'intérieur ou vers l'extérieur de la pièce en traitement, de même que les déplacements des éléments magnétiques annulai- res 109 vers la position montrée sur la figure 17 ou hors de la dite position.
On a prévu,, de plus, un ajutage réfrigérant
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110 pour la trempe de forme tabulaire susceptible d'être intro- duit à l'intérieur de la pièce traitée ( et d'en être éloigné ) par coulissement dans la oavité du noyau de l'élément de chauf- fage; ce tube réfrigérant peut être déplacé indépendamment de l'élément de chauffage, de telle sorte qutil peut rester à l' intérieur de la pièce traitée à l'état de fonotionnement, a- près que l'élément de chauffage a été enlevé, comme on l'a montré sur la figure 18. pour assurer un chauffage et une trempe rapides, on dis- pose l'élément de chauffage 108, les bagues 109 en matière magnétique dans leurs positions de fonctionnement respectives par rapport à la pièce traitée et autour de l'ajutage dtarro- sage 110 ( voir figure 17);
on envoie dans la bobine du cou- rant alternatif de fréquence élevée, provenant d'une source appropriée 111, la quantité d'énergie amenée à la bobine étant choisie de manière à porter la zone 105 ( figures 15 et 16 ) à la température désirée ( généralement à la température de recalescence) en un laps de temps suffisamment court ( géné- ralement en 1,8 seconde ou même moins ),de façon à déterminer l'élévation de température désirée dans la zone limitée, sans qu'il s'en suive une dissipation de la chaleur indésirable et sans qu'on constate sur la surface intérieure du cylindre des traces de fusion, de combustion ou d'autres effets nuisibles.
Lorsqu'il s'agit de parois ayant une épaisseur de 10 mm envi- ron, on obtient le résultat désiré dans des conditions très satisfaisantes en utilisant un courant dont la fréquence est de 2500 cycles environ et en appliquant des quantités d'éner- gie électrique de l'ordre de 2,4 à 3,2 Kw par 100 mm2 de sur- face traitée intérieurement. Ces chiffres varient évidemment avec l'épaisseur de la paroi.
Dès que les conditions de chauffage ci-dessus ont été réalisées, on enlève l'élément de chauffage 108 et les pièces
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annulaires 109 en matière magnétique et on dirige un fluide de trempe convenable sous pression à travers les orifices de l'ajutage de trempe 110, contre les faces latérales du cylin- dre,afin de les tremper rapidement et de refroidir la pièce traitée tout entière dont la température descend alors au-des- sous de celle du traitement thermique. par un réglage appro- prié de la quantité d'énergie mise en oeuvre, de la durée de l'application de la dite quantité d'énergie et aussi de la vitesse de trempe, suivant la nature de la matière traitée et les dimensions de la pièce, on obtient l'état d'autofrettage optimum.
Des essais effectués sur une pièce finie ont montré l'existence d'une couche trempée 105 bien définie et d'une paroi dont la partie intérieure est soumise à la compression, tandis que la partie extérieure de cette paroi est soumise à la tension.
On sait que les parois internes d'un cylindre moteur, tel que le cylindre d'un moteur à gaz,peuvent être durcies ou trempées par application rapide de chaleur au dit cylindre et par exemple par application d'une flamme, suivie de trempe; toutefois,le demandeur croit être le premier qui ait réalisé la trempe ou le durcissement de la partie intérieure d'un cy- lindre moteur en combinaison aveo la production d'un état d' autofrettage optimum.
Le demandeur n'est pas,à l'heure actuelle/en mesure de préciser exactement les modifications d'ordre physique, métal- lurgique ou de toute autre nature qui déterminent le résultat indiqué ci-dessus; il croit cependant que ce résultat est dit principalement à Inapplication dane quantité extrêmement éle- vée d'énergie quton obtient par chauffage électrique de l'in- térieur et par induction en se servant d'un noyau intérieur fait en matière magnétique et en faisant appel à un courant électrique de fréquence suffisamment élevée ( de l'ordre de
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2500 périodes );
il en résulte qu'au lieu d'être transmise en totalité par conduction à partir de la surface, comme cela se produit dans le cas de chauffage par flamme, la chaleur est appliquée instantanément à la surface et à travers une couche ou zone déterminée de très faible épaisseur, s'étendant vers l'intérieur à partir de la surface pour aboutir à une ligne abrupte ou tout au plus à une zone extrêmement étroite de transition, oette ligne ou zone etroite étant interposée entre les parties portées par chauffage à la température de reoales- cence et les parois dont la température reste au-dessous de la température de reoalesoenoe. pour la fabrication en série des objets comportant des parties destinées à un traitement thermique,
conformément à ltinvention on peut disposer un groupe d'éléments chauffants destinés à être refroidis de façon continue, tandis que ces éléments sont utilisés l'un après l'autre et pendant un temps déterminé, à l'aide d'un système réfrigérant relié de façon permanente, et de préférence commun à tous les groupes. on prévoit également des moyens pour exciter et pour cesser dt exciter individuellement chacun des éléments chauffants, sans interrompre le fonctionnement du dispositif de réfrigération, ce qui assure aux éléments chauffants une ample période de refroidissement entre les périodes de fonctionnement, sans qu'il y ait arrêt de fabrication.
Un tel dispositif est montré schématiquement sur les figures 6 et 7 sur lesquelles on a représenté un groupe d'élé- ments chauffants 36, oonvenablement montés sur un support ap- proprié, tel qu'un châssis 37, et oomportant des prolongements tubulaires 38 et 39, reliant la borne 24 de l'enroulement hé- licoidal et la borne taraudée 28 ( figure 1 ), par l'inter- médiaire de conduits convenables à résistance élevée ou iso- lants et tels que des tuyaux on caoutchouc 40 et 41, aux oana-
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lisations respectives 42 et 43 pour l'admission et pour l'éva- cuation du fluide réfrigérant.
Des connexions électriques con- venables sont établies entre les prolongements tubulaires 38 et 39 et une source appropriée de courant alternatif 51 ; ces connexions sont constituées par des bornes 44 et 45, par des conducteurs 46 et 47, par des interrupteurs 48 et par des oon-' ducteurs 49 et 50.
Au cours du fonationnement,le fluide réfrigérant est amené de faon continue au groupe d'éléments chauffants 36, par les canalisations 42 - 43, à partir d'une source convena- ble, non montrée sur le dessin, tandis que l'opérateur place un objet, tel qu'un moyeu 1 solidaire d'un tambour de frein, sur l'un des éléments chauffants 36, par exemple sur celui qui est placé à l'extrême droite, comme on l'a montré sur la figure 6.
L'opérateur excite alors l'élément chauffant 36, par fermeture pendant un temps déterminé, de l'interrupteur 48 qui se trouve également à l'extrême droite, après quoi il ouvre l'interrupteur et enlève le moyeu,pour le refroidir.
L'opérateur se sert alors d'un autre élément chauffant, par exemple de l'élément intermédiaire et ainsi de suite, en se servant à tour de rôle de tous les éléments chauffants fai- sant partie du groupe, les éléments chauffants restants con- tinuant à être refroidis,tant qu'ils ne sont pas en service.
Quoique les éléments chauffants multiples soient reliés mécaniquement aux canalisations 42 et 43 pour l'amenée et pour l'évacuation du fluide réfrigérant, ils sont isolés élec- triquement et de façon adéquate pour pouvoir être excités in- dividuellement, un tel isolement étant assuré par l'utilisa- tion des connexions de réfrigération individuelles 40 - 41 faites en matière isolante et telles que des tuyaux de caout- chouc ordinaire ou des tuyaux en caoutchouc garni de toile,
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au analogues,dont la,longueur soit suffisante pour permettre d'isoler efficacement, au point de vue électrique, les élé- ments chauffants, par utilisation de la résistance électrique, ou des propriétés isolantes du fluide réfrigérant.
On peut se servir de tout procédé approprié, permettant d'éviter des per- tes indues d'énergie dans les systèmes de réfrigération et en particulier lorsqu'on utilise, comme fluide réfrigérant, de l'eau. On peut, par exemple ,'munir chaque élément chauffant d'un système de réfrigération distinct et indépendant, com- portant des pompes et des réservoirs distincts.
Quoique, pour la simplicité de l'exposé, on ait repré- senté les interrupteurs 48 sous forme d'interrupteurs bipo- laires, à couteaux manoeuvrables à la main, il est désirable, en pratique, d'utiliser ,au lieu de ceux-ci ,des interrupteurs à pédale, de telle façon que l'opérateur puisse aisément fer- mer le circuit immédiatement après avoir mis en place la pièce à travailler et qu'il puisse avoir les mains libres,pour en- lever la dite pièce immédiatement après l'ouverture de l'in- terrupteur.
On peut également utiliser des relais de toute forme ap- propriée pour régler la durée de fermeture du circuit, soit au point de vue purement chronométrique, soit pour la faire varier suivant la quantité d'énergie mise en oeuvre, suivant l'élévation de température, eto....
Les modes de réalisation de l'invention qui vient d' être décrite ne sont donnés qu'à titre d'exemple,mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation, mais qu'on peut y apporter un grand nombre de modifications(sans toutefois que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"New process for the thermal treatment of golden bodies from the inside and a device for heating by induction for the implementation of this process".
The present invention relates, in general, to the heating, of the interior and by induction, of metal hollow bodies or of their walls, for example when the walls or other parts to be heated are inaccessible, or in the
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the case of bodies which can be accessed from the outside, when it is desired to heat a part close to the internal surface, without the more or less distant external walls being unduly heated.
One of the practical applications of the process is the heating of the walls of a brake drum with a view to any heat treatment, whether it be quenching, standardization or annealing, or whether it be quenching, normalizing or annealing. This involves obtaining a permanent result or a useful effect as an intermediate phase of a process and this in the case where the outer surface of the drum is made inaccessible for the application of inductor windings, for example by due to the fact that this outer surface has ribs, protrusions or other protuberances, either in the case where it is desired that the heat treatment be limited more or less to the inner surface, or at least begin at said surface.
Another very important practical application of the process in question consists in the mass production of the wheel hubs of motor cars, of the hubs integral with the rear plate of the brake drum, or of the integral hubs of the brake drum in the assembly. case where it is desired to remove the inner ring or cylindrical part of the hardened material (ring or cylinder which are usually separate parts of the hub) and on the other hand harden the inner cylindrical part of said hub, so that It can act directly as a bearing surface or as a raceway for roller bearings.
Another application of the invention is in the manufacture of a thin-walled cylinder having high wear resistance, high mechanical strength and minimum weight.
The problem that arises in the case considered is
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bringing the inner part of the hub to the required temperature before heat can be transmitted by conduction and in sufficient quantity to the most distant parts of the hub so as to unduly raise the temperature thereof.
We have already seen the means of heating the walls of a hollow body or the outer part of the walls of a hollow body by induction and with the aid of a coil surrounding said body, this coil comprising a magnetic circuit. - tick consisting largely of air or of non-magnetic material, except for the body to be heated which is part of the magnetic circuit and which can be made of magnetic material. It has been found that this method is neither practical nor economical for the heating of the interior in the manner set out above, in particular in the case where it is necessary to quickly heat small diameter hollow bodies. interior, of the order of 30 centimeters and below.
Attempts to effect such internal heating, using the usual coreless induction coils, have apparently failed due to the inability to pass sufficient current through the coil to do the necessary work in the coil. time required, without damaging the coil and / or the conductors.
The applicant has found that a considerable amount of energy can be used by providing the induction coil, or the helical coil, with an inner core of high permeability, preferably consisting of lamellae. radial or of equivalent construction, so as to obtain a core with high permeability, but resistant to parasitic currents and in particular to induced currents, tending to circulate normally in the direction of the magnetic flux.
When the
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The core is intended to withstand high temperatures, it is preferable to construct said core of an alloy of steel having a composition such that it can keep its magnetic properties at high temperatures and for example in cobalt and nickel alloy. containing a high percentage of cobalt, for example about 70%. The core is set up so as to form a magnetic circuit which closes with a minimum air gap on the wall or body of the object to be heated which is usually made of iron or an iron alloy.
This ability to use high amounts of energy is essential when it is necessary to quench the inner cylindrical surface of the hub of an automobile wheel made of iron or an iron alloy, while avoiding heating. parts remote from the hub, heating which would be such as to alter the normal quantities or the desired qualities of the hub.
By shaping the laminated core in such a way that it surrounds the inner part and the end part of the induction coil and that it forms with the part of the piece of iron to be heated a substantially complete envelope or casing for the coil, one obtains a magnetic flux confined in the said core and in the said part of the part to be treated and this results in the advantage that the neighboring accessories or the construction elements of the core; accessories and elements such as the rings immobilizing the lamellae and the centering mandrel intended to center the induction coil in the hub, are not crossed by a significant amount of magnetic flux; they are at least protected therefrom to a sufficient degree to prevent undue heating, by induction, of the prerequisite accessories.
Another object of the invention is to reduce in various ways the reluctanae of that of the parts of the magnetic circuit.
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of the heating coil which is located inside the hollow part) in such a way that this reluotance has a value comparable to that of the reluotanoe of the part of the magnetic circuit located outside the hollow body, when said hollow body is surrounded by a winding.
Such a result can be achieved by the provision of an internal magnetic core. Induction heat treatment of the outer surfaces of parts of circular cross-section is easily achieved with the aid of windings which do not include outer magnetic cores, due to the fact that the cross-section of the aerial part of the circular Magnetic firing is virtually unlimited and therefore ensures a sufficiently low reluctance. However) when the part being treated itself, for example in the case of heat treatment of internal surfaces of hollow objects, constitutes the external part of the magnetic circuit of the coil or of the heating winding, this situation is reversed.
Due to the fact that the aerial part of the magnetic circuit, part placed inside the workpiece, is circumscribed by the latter, its section is thus limited and consequently the reluctance of this part of the circuit is increased. . When dealing with hollow bodies of small diameter, such as for example the wheel hubs of motor cars, the cross section of the part of the magnetic circuit becomes so small that the reluotanoe can reach a value 10 or 12 times greater. that of the aerial part of the magnetic circuit of the heating coil when it is used for the treatment of exterior surfaces.
The applicant claims that this is the reason for the failures of attempts to heat hollow bodies using coreless inductors, a reason which was not taken into account.
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jasqulioi. The amount of energy required for heat treatment, using a coreless inductor, of a relatively small diameter hollow part, such as a hub. motor vehicle wheel, would not only
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prohibitive from an economic point of view, it would still entail practical difficulties;
it would indeed be impossible in practice to stay in such a limited space
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an inductor of sufficient dimensions to carry the maximum intensity currents allowing the induotor
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coreless to generate the flux required for such heat treatment.
Another aspect of the invention consists in using a quantity of energy high enough to determine, in the aroused part, the inner wall of which undergoes a heat treatment, a state of autofrettage with a view to reinforcement.
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3rd effective walls. 2by the words self-frettage state, the applicant designates such a distribution of compressive forces (in the internal wall which has undergone a heat treatment) and a-tension forces (in the external wall not treated with graded heat. at which the point of the wall stress curve (between the inner face and the outer face thereof) ends in s'
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round.
Fractage has been applied in artillery, where it has usually been carried out either by contraction of tubes, rings or outer reinforcing bands, or by com-
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pressure carried out from inside the internal areas of the wall subjected to high hydraulic pressure;
however, to the knowledge of the applicant, the autofrettage has never been carried out hitherto, in the case of walls without a continuity solution, by heat treatment by injection, in use 4th high quantity
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energy and by extremely rapid heating so as to avoid gradual drops in temperature between that of the interior regions which is heated beyond the point of re-oalesoenoe and that of the exterior regions which is kept at a temperature sufficiently low so that 'it contributes effectively to the quenching, that is to say that it determines a sudden drop in temperature between the two zones in question,
after which the heating is abruptly ceased as soon as the desired temperature is reached, and quenching is carried out before any change has taken place in the ratio between the respective temperatures of the regions of the part being treated; this quenching is effeotée abruptly (and uniformly with regard to the region brought to the reoalesoenoe temperature), so as to determine a sudden change in the hardness of the metal, going from the heated inner region to the outer region unheated; in addition, the hardened region exhibits uniform increased hardness. while the outer region regularly retains its normal hardness unaffected by heat treatment.
The invention then provides for achieving the self-stiffening state and increasing the strength by adjusting the degree of hardness and the thickness of the hardened inner region, compared to that of the outer region. uncured, so that the stress curve of the total thickness in the wall is such as to increase the maximum strength of the wall.
The invention also relates to a hollow object with integral walls made in one and the same part and being in the autofrettage state so as to increase in a very considerable proportion the resistance of said object.
This requires in particular parts having relatively thin walls and relatively small diameter.
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small in the order of those of the bores of the wheel hubs of motor cars or of engine cylinders, etc.
In the mass production of certain objects, it has been found that it is possible and extremely advantageous to vary the shape of the object to be treated slightly, in particular that of the hub, of a wheel, in order to make it more susceptible to be heated rapidly by induction with minimum losses of power and heat, without reducing the mechanical resistance and without resulting in any prejudice to the desired mechanical functions of said hub.
The above mentioned bats and advantages and various other advantages of the invention will emerge more clearly during the description which follows, with reference to the accompanying drawing. on this drawing :
Figure 1 is a longitudinal section along the axis of a preferred embodiment of the invention. part of the central core has been shown in elevation in this figure;
FIG. 2 is a partial detail view showing in elevation part of the spacer ring of the blades;
Figure 3 is a partial perspective view on a larger scale of another embodiment of the tabular conduit;
Figures 4 and 5 are respectively plan and sectional views of another embodiment of the slats;
Figure 6 is a schematic front elevational view of a group of heating elements;
Figure 7 is a plan view of the device shown in Figure 6.
Figures 8 and 9 are respectively cross-sections by ¯a vertical plane and by a horizontal plane of the part,
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thermally sealed, of a wheel hub of an automobile, this part being in the autofrettage state;
Figures 10 and 11 are respectively cross sections along the axis of an improved embodiment of the apparatus; these figures explaining the improved process, object of the invention, in accordance with which complete and immediate quenching is obtained.
FIG. 10 shows both the winding for the heat treatment and the dispersion device in the working position relative to the workpiece; Figure 11 shows the spray device in working order with the winding removed;
Fig. 12 is a graph indicating the hardness of the various parts of the wall (in the direction of thickness) and the relationship which exists between the interior and exterior regions of said wall;
FIG. 13 is, on a greatly enlarged scale, a partial cut, in a horizontal plane, of the wall of a part treated in accordance with the invention; this figure shows the distribution of the forces inside said wall, respectively before and after the treatment;
Fig. 14 is a side elevation, partially sectioned, showing an external cooling device during heating;
Fig. 15 is a vertical section of a cylinder processed in accordance with the present invention;
Figure 16 is a sectional view taken on line 16-16 of Figure 15;
Fig. 17 is a schematic vertical section showing the respective positions of the apparatus and of the part treated during the heat treatment;
Figure 18 is a schematic view similar to that of Figure 15 and showing the respective positions of the
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device and the part treated during quenching.
As can be seen in the drawing, and in particular in FIGS. 1 and 2, the invention, which is represented therein, applies to the internal heating of a hub of an automobile wheel with a view to subjecting to a heat treatment a part integral with said hub and intended to function as a raceway.
The hub 1 may be part either of an assembly consisting of a hub and a brake drum integral with one another, or of an assembly formed by a hub and by the rear part of a drum. brake also integral, it can also be constituted quite simply by a wheel hub of a known type, any comprising inside, a raceway from one bearing to. rollers.
The hub is provided, at its outer end, with a customary conical bore 2 intended to receive the axle and, at its inner end, with a bore 3, of relatively large dimensions / which is intended to form roller bearing and which aomport, on its inner wall, a part 4 with a radial projection directed towards 1 = inside, part integral with the means and forming a raceway of a roller bearing.
It is this part of the hub which, in the present case, must be hardened, on its inner surface and in the vicinity thereof, by a suitable localized heat treatment so that it can replace a usual steel insert. quenched used as a raceway or rolling jacket for a roller bearing.
The hub, shown in the drawing is of the type comprising a rear part of a brake drum integral with the hub, designated by 5. The hub has the usual cross section with certain differences such as to promote heat treatment by induction. , as will be described later, without any resulting damage to the properties
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mechanical properties of the hub and without its mechanical resistance being reduced.
The difference with the hubs of known shape consists mainly in a slight redaction of the annular section 6, redaction obtained by hollowing out (from the inside to the outside) the hollowed-out annular part 7 and by adding reinforcing elements in metal in the form of ribs 8, in order to compensate for the metal removed, these ribs extending in the longitudinal and axial direction so that they are arranged in planes substantially perpendicular to the path of the induced currents.
Part 6 can also be reduced by removing part of the metal on its outer surface and substituting for this part of the metal with reinforcing ribs arranged so as to present a maximum radiating surface and oriented in any case appropriately so that the impedance to the induced currents is maximized. The last-mentioned construction may replace the first-mentioned construction or may be combined with it. It will be noted, however, that by hollowing out the recess 7 and using reinforcing ribs 8, the demarcation of the part of the annular raceway which extends inward and outward is accentuated. The heat generated therein is thus oon- tributed to looalize.
Inside the hub and at a very short distance from the inner surface 3 of the part of the raceway means of a roller bearing is arranged the induction heating element which generally comprises a helical induotor winding. 9 consisting of a tubular conductor 10 and a hollow laminated core 11, of cylindrical shape and of high permeability, this core extending radially and outwardly beyond the upper and lower ends of the 'helical winding to end in the
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immediate vicinity of the inner wall of the means;
the turns of the helical conductive winding are suitably insulated from the core and from each other by means of pressure gauge 12 and washers 13 of mica or other insulating material. The invention also provides for the use, instead of the manohon and (or) of the mica washers, of an insulating enamel, of known shape or of any other suitable shape.
The heating element is of robust construction, it is carried firmly by a mandrel 14, the upper end of which is conical so as to come to rest intimately against the walls of the oonic bore of the hub; this mandrel has in its lower part a bore arranged in the direction of the axis and intended to receive cooling water, as will be explained below.
The lamellae of the core 11 are disposed radially around the mandrel 14 and are clamped on the latter by means of the upper clamping ring 16, which is fixed, and the lower clamping ring 17, which is movable; the tightening of this by pushing upwards against the blades is ensured by the ring 18, by the washer 19 and by the tightening nut oa threaded cap 20 qai is screwed on the lower part 21 of reduced section chuck 15.
in order to angularly space the lamellae of the core 11, each of the lower outer parts of these lamellae is housed in radial slots 22, equally spaced apart, provided on the upper face of the peripheral edge 23 of the ring 18 forming The said ring 18 thus maintains the lamellae mounted on the mandrel, in their appropriate radial position, while the clamping rings 16 and 17 ensure the correct contact, from the thermal point of view, between the lamellae. and the core, which greatly facilitates the heat exchange between the core and the cooled mandrel. some water.
Spacing
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angular lamellae ensure perfect isolation between them at places where the flux density reaches its maximum value. The lower terminal 24 of the conductor winding is extended downwards; it passes through an orifice 25 provided in the ring 18 forming the base. ring with respect to which it is insulated by air, an appropriate gap being left between the ring and the terminal, although a suitable solid insulator may be used for this purpose, this extension is intended to establish an electrical connection to a source. suitable for alternating current;
it may be further connected to a suitable source of refrigerant fluid not shown in the drawing and which may be of any suitable shape (known or otherwise) while the upper terminal 22 'extends inside the internal bore 26 of the mandrel and thus passes through an orifioe 27 provided in the wall of the hollow part of the mandrel, the connection between the upper terminal and the bore 26 of the mandrel being fluid tight;
the electrical connection of the upper terminal of the winding with the other pole of the current source, as well as the connections with the passage for the fluid, is completed by the mandrel itself by a suitable electrical connection and by tightening the fluid-tight nut 20, the lower end of which is provided with a tapered orifice 28.
It is also necessary to insulate the upper terminal of the helical winding from the mandrel which supports it and from the laminated core by extending downwards and through the mandrel, an insulated prolongation of the tubular conductor, an extension which is used for establishing external electrical connections and for supplying fluid. The heating element is supported by a base 29 and by means of a ring 30 forming a seat.
The respective proportions of the organs of the element of
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The heating element and the object to be treated are chosen in such a way that when the hub 1 is placed by a downward movement on the heating element 2, the latter is suitably centered and disposed at the center. inside the hub, using the upper aonic extension 15 da mandrel;
the upper shoulder of the clamping ring 16 and the outer surface of the turns of the helical conductive winding or of the inducer will then be arranged parallel to (and in the immediate vicinity of) the inner surface of the annular part. - area of the hub which is to be subjected to a heat treatment, part intended to form a bearing, while the helical winding will be surrounded or enveloped almost entirely, that is to say say partly by the body of the hub and partly by the laminated core 11, which extends beyond the inner surface of the helical winding and around this surface, while it s 'extends radially and outwardly beyond the upper and lower edges of said winding.
It is clear that the construction which has just been described assures an extreme concentration of electromagnetic energy with minimal losses due to magnetic leaks or to the dissipation of flux and to induced currents, to further increase this concentration of electromagnetic energy. electromagnetic energy, in particular when using high frequencies, the tabular conductor, with which the helical winding is made, can be given the shape shown in figure 3.
In this embodiment, the conductor has a relatively thick outer wall, an inner wall, and top and bottom walls which are relatively thin, the outer wall primarily serving as a conductor of the excitation current, while the outer walls upper and lower and, the inner wall serve mainly to contain the refrigerant. However, in
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in many cases, when the conditions imposed are not rigorous, the conductor can be solid, of rectangular or circular section and of relatively great weight.
To reduce the absorption power of the conductor relative to the heat radiated by the surface of the workpiece and thus to keep the conductivity at the same value, the outer surface of the conductor can be plated and polished with a view to make it reflective to a high degree. Whatever it is already. Known to achieve thermal insulation by reflection, the use of this mode of insulation for the purpose which has just been indicated and the device in which it is produced seem to be new and patentable.
Another advantage of the reflective surface as used in the present case is that) while allowing to avoid the heating of the conductor by absorption of the heat radiated by the workpiece, it determines a heating speed of the latter due to the reverberation effect which occurs between the reflecting surface and the treated part.
It is preferable to reopen the conductor with a coating of chromium, for example (this coating being oxidized. In order to obtain a film of great insulating power from the electric point of view) and, after it has been mounted on the apparatus for heating, browning or polishing by any other suitable means, its outer surface so as to obtain a surface with very high reflective power and whose insulating properties, from a thermal point of view, are high.
The invention also provides the means of increasing the flow permeability of the laminated core by thinning the lamellae inwardly and radially, as shown in Figures 4 and 5, so that the lamellae 35 are in contact with each other
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along radial planes and in fact form a substantially confined annular nucleus. In this embodiment, it is of course possible to isolate the lamellae entirely or in part in any suitable manner and for example by oxidation.
During operation. the terminal 24 and the clamping hole 20, which constitute the electrical terminals of the helical inductor winding, are connected, by the intermediary of the conductors 31 and 32, to a suitable source 33 of alternating current, of preferably of high frequency, the circuit thus established being controlled by a suitable switch, or by another similar device, indicated schematically at 34. Following the application of such a current, the inductive helical winding is energized. and thus determines the production of: intense magnetic flux concentrated in the core 11 and in the part 4 of the hub serving as an annular bearing path.
Due to the mechanical and electrical arrangement of the assembled components, the induced currents are centered in the innermost part of the element 4 forming a bearing, which has the effect of raising the temperature of said part. 4 to that of the quenching, after which the current is cut off and the means are removed which are immediately cooled so as to obtain the desired looale quenching.
During the operation of the helical winding 9, part of the heat stored in the heating element is dissipated by circulating a suitable refrigerant fluid inside the hollow conductors of the helical winding 9 and the central bore 26 of the mandrel 14. As the aforementioned mandrel is in perfect contact, from a thermal point of view, with the magnetic core 11, there is an exchange of heat between these two elements, so as to cool the magnetic cores.
The circulation of the coolant is,
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preferably maintained continuously, in order to continue cooling of the heating element after the energization of the winding has ceased and the means have been removed.
During the heating operation, when the temperature of the extreme inner part of the element 4 serving as a bearing reaches a value corresponding to recalescence, the zone of maximum current density moves outward. , but the amount of energy used reaches such a high value that the production of heat in the. exterior part (due to said displacement of the maximum current density outward) and any unwanted heating of the exterior part, by conduction of heat from the interior part, cannot take place before the interior temperature has been brought to the desired quenching temperature.
In fact, this rise in temperature occurs so rapidly that the outer annular parts and other adjoining areas will remain cool enough to aid in cooling or quenching the element 4 serving as the bearing, and the outer parts and voi. - sines which remain well below the quenching temperature, so that the remaining parts of the hub retain the desired mechanical characteristics.
In FIGS. 8 and 9, a part has been shown which has undergone the complete heat treatment in accordance with the process described above and which has, following said treatment, walls in the autofrettage state. The various parts of the part shown in these figures, parts identical to those shown in FIG. 1, are designated by the same reference numerals, in particular the area hardened by heat treatment has been designated by 55 (hatched area with close lines) , while the outside / unheated zone of normal hardness, hardness corresponding to that of the pre-
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felt before heat treatment, was designated by 56.
The intermediate zone connecting the two zones in question is designated by the reference numeral 57.
FIG. 2 shows the curve of the hardnesses of the various parts of the wall going from the inside (left part of the figure) to the outside (right part of the same figure); the Rockwell scale 0 has been adopted as the hardness scale.
The normal hardness of the outer zone 56 is on the order of 10, while in the inner zone, treated by the application of heat, it is about 58 to 60. The end zones and the intermediate zone are designated in the diagram of figure 12 by lines indicating the dimensions and by the same reference numerals as in figures 8 and 9.
It should be noted that the hardness of the heat treated inner region 55 and the non-heat treated outer region 56 are substantially uniform in the radial direction. It should then be observed that the intermediate zone 57 is very thin (of the order of 7/10 of m / m). The passage between the hardened zone 55 and the non-hardened zone 56 is therefore extremely sudden. In addition to the uniform hardnesses of the respective zones 55 and 56 and the sudden passage between them, it is necessary to note above all the characteristic peculiarities below, which all contribute to considerably increase the resistance of the treated part, due to autofrettage.
The thickness (in the radial direction) of the hardened zone is substantially uniform over the entire length and across the width of the ring formed by said zone. The part was not distorted as a result of the heat treatment; it retains the same geometric shape it had before the treatment. She
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has not undergone any deformation either in the axial direction or in the radial direction. In addition, the dimensions of the interior surface of area 55 of the finished part have not been changed by an amount greater than 0.025 or 0.05 m / m.
All these facts, taken as a whole, have the consequence of effectively increasing the resistance of the treated part and ensuring an economical manufacture. Due to the redaction to a minimum of the machining and grinding operations of the hardened surface and sometimes even because of the possibility of eliminating the said operations. The function of the part thus obtained is improved, its homogeneity and its duration are increased; it is more resistant to wear and its fatigue characteristics are improved.
As previously indicated, this hardening uniformity in the hardened zone is obtained by the extremely short duration of the period of application of electrical energy, this energy being applied in very large quantities of the order of 15 to. 20 KW per 645 m / m2 of surface treated in such a way that only a small gradual drop in temperature is observed, and not even a gradual drop at all, between the heated area and this unheated outdoor area which, due to its relatively unheated state, contributes so effectively to quenching when the energy application is suddenly interrupted,
This quenching being followed or accompanied by a sudden quenching exerted both by the unheated material of the outer zone 56 and by the auxiliary quenching device. The amount of energy used is so great that zone 55 is brought to reoalesoenoe temperature, and even somewhat above this temperature in 1 to 2 seconds;
in the case of automobile car wheel hubs, which the applicant currently treats, the energy used is that corresponding to the
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full load of a 300 Kw generator, at a frequency of 2520 periods, less losses due to short transmission lines, and power factor kept high both by appropriate capacities and (what is more important) by the magnetic core placed, according to the invention, inside the hollow body of small diameter and thin wall.
Any of the known quenching devices can be used; thus, the applicant has used quench baths for this purpose; However, there has been shown in Figures 10 and 11 an improved embodiment of an apparatus placed above that shown in Figure 1 and constituted by a sprinkler head 58. This sprinkler head is introduced through the hollow of the core 11 and when the core 11 and the winding 9 are in the funotation position relative to the part to be treated, the spray head 58 is also in the working position.
However, during the period of one or two seconds during which the energy determining the induction is applied, the coolant is not projected by the sprinkler head 58. At the end of the period of the core 11 and the winding 9 which it carries (this withdrawal being carried out vertically and along the axis of the sprinkler head, as seen in FIG. 11) is abruptly withdrawn and at the same time as the said head. As soon as the winding 9 has unmasked the sprinkling orifices 59, the refrigerant fluid is applied uniformly, by hydraulic pressure and with the aid of the sprinkler head 58, over the entire zone 55 having undergone the heat treatment. ,
this fluid thus passing per year a large number of orifices 59 distributed uniformly, This makes it possible to avoid the complications caused by the use of devices for the rapid handling of the means, or even the rapid handling
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by hand of this hub, and greatly promotes the industrial application of the process and the manufacture of parts in large quantities. Thanks to the use of this sprinkler head introduced by the hollow of the magnetic core and placed so as to be able to be put into operation during the heating operation, the cost price of the the apparatus used and the labor costs, when producing in quantity, are considerably reduced.
Moreover, the sudden change in the hardness of the metal in the intermediate zone 57 can be controlled by adjusting the coolant without the need to readjust or overhaul the entire machine or the rest of the operations.
Either gaseous or liquid coolant fluid can be used. well a mixture of such fluids; when it is a liquid, it is preferable to bring it through the nozzle, in sufficient quantity and at a sufficient speed so that it passes not only through the lower orifice formed in the hub, but so that it still overflows the said hub and passes around the outer part of the body of the hub and above and around its rim.
It is also desirable in some instances, and in particular when processing thin-walled articles, to cool the exterior of the wall during the heating operation. a device for performing this combination of operations is shown in figure 14 in which a cooling cap 70 has been shown which extends downwards and which covers the upper part (and of smaller section) of the wall of the hub / leaving a space 71 between the hub and the inner side wall of the cooling cap.
A refrigerant, and preferably a gas, is supplied, by means of a flexible pipe 72, from an annular passage 73 and vertical conduits 74, to the annular-shaped outlet, which is directed.
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gée inward in, the radial direction and, upwards, in the direction of. the axis, and from where the coolant is directed upwards against the outer wall of the hub.
The refrigerant flows upwards along the outer wall of the mayeu and thus ends up in an annular escape chamber or cavity 75; it escapes through the exhaust openings 76 opening outwards through the side wall of the cap and which are offset in height with respect to the vertical conduits or channels 74.
It will be appreciated that by giving suitable proportions to the total area of the exhaust ports and other parts of the device, and by properly regulating the pressure, the fluid can be made to flow entirely to the outlet. up and beyond the exhaust ports and even to determine a certain Venturi effect; or it can be made to circulate partly upwards and partly downwards, that is to say above and around the outer wall of the hub.
The reason for obtaining the increase in wall resistance of the thin-walled hollow part may be better understood by examining the tension diagram shown in figure 13. In this figure the various areas of the treated metal are designated by the same reference numerals 55, 56 and 57 as in Figure 12.
If a thin-walled part were subjected, before it has undergone the heat treatment in accordance with the present invention, to internal pressures applied uniformly to its walls, as indicated by arrows 60, the result would be: between the inner and outer parts of the wall a distribution of forces as represented by the curve 61 related to the spokes passing through the thickness of the wall, It will be noted that the highest tensile forces are those applied to the surfaces arranged inside
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eur of zone 55;
these forces are represented by the point 63 of the curve) while the lowest forces are the tensile forces which one obtains in the surfaces most rejected towards the outside, that is to say the forces represented by the lower end 64 of the curve 61. It is the presence of the forces corresponding to the point 63 of the curve 61 and to the neighboring parts of said point which is the reason for the low resistance of the object, when it This is subjected to an internal pressure tending to rupture said object in the radial direction.
When the zone 55 has been quenched by the process which forms the subject of the invention and it is connected to the external zone 56 by the intermediate zone 57, of relatively small thickness, the material of which the wall is subjected to primitive stresses, as shown by curve 65, which, as will be noted, starts from the inside below line 62, and ends outside, above line 62. same line 62.
Below line 62 and within zone 55, the forces are compressive forces of negative value / as opposed to the positive values of tensile forces represented by curve 61. Above line line 62 and within the limits of zone 56, the tension forces have positive values.
However, when the breaking forces designated by the arrows 60 are applied to. inside the hollow part, instead of a force distribution conforming to curve 61, another force distribution as represented by curve 66 is obtained. This last curve is the re- resulting from the forces of the curve 65, due to the treatment which is the subject of the invention, and the breaking forces which would have been exerted if the part had not undergone the treatment in question.
The compressive forces corresponding to the end 67 of
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curve 65, are cut off from the tensile forces of the curve 61, which are exerted in the same zone 55 and thus give the part 68 of the curve 66, while the tensile forces which correspond to the end 69 of the curve 65, are posted to the tension forces of the end 64 of the curve 61. This results in a leveling of all the forces which / otherwise would have been exeroed inside the hollow part, and a unification of the forces applied over the entire extent of the material of which the treated part is made. This is the reason for considerable increase in strength of a piece as a result of autofrettage.
Tests carried out on the cylindrical walls of means treated in accordance with the invention have shown conclusively that the inner part of the wall is subjected to compression, while the outer wall is under tension. these tests consisted of removing successive layers of metal from the exterior and measuring the interior diameter of the part after removing each of the exterior layers. It was found that in the vicinity of the open end of the treated part of the cavity intended to serve as a raceway, the diameter underwent an average increase of 17/100 mm, or roughly an increase of 1/4 of mm; this result constitutes the average of the measurements taken in three different directions, on the internal diameters of three different hubs.
Although it is not possible at the present time to specify exactly the modifications which occur in the hollow part during the heat treatment, modifications which determine the state of autofrettage, it is believed that this state is due in part to work hardening (beyond the elastic limit) in the intermediate zone, due to expansion, under the effect of. heat, - from a neighboring interior zone
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and in part to the modifications of atomic structure accompanying the transformation of the texture of the metal in the interior zone, a texture which becomes martensitic, rather than remaining austentic.
FIGS. 15 to 18 represent an iron alloy cylinder having the properties which it is sought to achieve by the implementation of the present invention. In these figures, the cylinder 101 is of the type comprising a water jacket, the said jacket 102 being disposed between the inner wall 103 and the outer wall 104.
The inner layer forming an integral part of the cylinder, which is represented by the denser hatched part 105 and arranged behind the line lo6 in broken lines, has a higher degree of hardness and therefore a higher resistance to water. wear; it is subjected to compression, while the neighboring outer parts are subjected to tension; the degrees of compression and tension in the different zones, and the relative thickness of these zones in the radial direction being such as to establish an optimum state of hooping.
In FIGS. 15 and 16 there is shown, by way of example, a determined ratio between the thickness of the wall and that of the hardened zone under pressure; it is obvious, however, that this ratio can vary within wide limits and that, in the illustrated embodiment which shows a cylinder having substantially real dimensions for its use in a combustion engine, the thickness of the inner wall 103 is somewhat exaggerated for the sake of clarity 1 to show the various areas and that in practice this thickness is considerably less, around 3 mm or about half the thickness shown on the drawing.
While in the drawing a thin line (dashed line) has been drawn between the hardened and compressed inner layer,
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and the stressed outer layer, it will be appreciated that there is an appreciable, albeit extremely narrow, area serving as a transition between the compressed area 105 and the adjacent outer portion 103 for the finished part to be fed into the area. In the aforementioned state, in accordance with the invention, the device which is shown schematically in FIGS. 17 and 18 and which, in general, is similar to the embodiment of FIGS. 10 and 11, is used.
As seen in Figures 17 and 18, the device comprises an induction coil 107 intended to be placed in the cavity of cylinder 101 in the immediate vicinity of its inner surface and to project beyond each end of the aforementioned cylinder.
Oven to considerably increase the inefficiency of the coil 107, it was provided with an inner core 108, formed by radial sheets and which thus forms a solid laminated core extending along the axis of the coil and comprising openings. radial beyond the ends of said coil and outside thereof. In order to reduce the air gaps of the magnetic circuit to a minimum and to maximize the permeability of said circuit, the annular elements 109 (upper and lower) are preferably formed by radial magnetic sheets, these elements being arranged so as to be able to be brought into the position in which they close the air gap at the ends of the coil between the inner hub and the ends of the workpiece 101.
The axial displacement of the heating coil 107 and of its core 108 in or out of the workpiece can be carried out in any suitable manner, as can the displacements of the annular magnetic elements 109. towards the position shown in FIG. 17 or out of said position.
We have provided, in addition, a cooling nozzle
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110 for the quenching of tabular form capable of being introduced into (and away from) the treated part by sliding in the cavity of the core of the heating element; this refrigerant tube can be moved independently of the heating element, so that it can remain inside the treated part in the operating state, after the heating element has been removed, as it is. shown in Fig. 18. to ensure rapid heating and quenching, the heating element 108, the rings 109 of magnetic material are arranged in their respective operating positions relative to the workpiece and around it. the starter nozzle 110 (see Figure 17);
high frequency alternating current is sent into the coil, coming from an appropriate source 111, the quantity of energy supplied to the coil being chosen so as to bring the zone 105 (figures 15 and 16) to the desired temperature (usually at the recalescence temperature) in a sufficiently short period of time (usually 1.8 seconds or even less), so as to determine the desired temperature rise in the limited zone, without it occurring. This results in dissipation of unwanted heat and without evidence of melting, combustion or other deleterious effects on the inner surface of the cylinder.
In the case of walls having a thickness of about 10 mm, the desired result is obtained under very satisfactory conditions by using a current with a frequency of about 2500 cycles and by applying quantities of energy. of the order of 2.4 to 3.2 Kw per 100 mm2 of surface treated internally. These figures obviously vary with the thickness of the wall.
As soon as the above heating conditions have been achieved, the heating element 108 and the parts are removed.
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annulars 109 of magnetic material and directing a suitable quenching fluid under pressure through the orifices of the quenching nozzle 110, against the side faces of the cylinder, in order to quench them rapidly and to cool the entire part being treated. the temperature then drops below that of the heat treatment. by an appropriate adjustment of the quantity of energy used, of the duration of the application of the said quantity of energy and also of the quenching speed, according to the nature of the material treated and the dimensions of the part, the optimum autofrettage state is obtained.
Tests carried out on a finished part have shown the existence of a well-defined hardened layer 105 and of a wall whose inner part is subjected to compression, while the outer part of this wall is subjected to tension.
It is known that the internal walls of a motor cylinder, such as the cylinder of a gas engine, can be hardened or quenched by rapid application of heat to said cylinder and for example by application of a flame, followed by quenching; however, Applicant believes to be the first to have quenched or hardened the interior of a motor cylinder in combination with producing an optimum autofrettage condition.
The applicant is not, at the present time / in a position to specify exactly the modifications of a physical, metallurgical or any other nature which determine the result indicated above; he believes, however, that this result is said mainly to the application of an extremely high quantity of energy which one obtains by electric heating of the interior and by induction by making use of an internal core made of magnetic material and by using to an electric current of sufficiently high frequency (of the order of
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2500 periods);
as a result, instead of being transmitted entirely by conduction from the surface, as occurs in the case of flame heating, heat is applied instantaneously to the surface and through a determined layer or area of very small thickness, extending inwardly from the surface to end in a steep line or at most an extremely narrow transition zone, such a narrow line or zone being interposed between the parts brought up by heating to temperature of reoales- cence and the walls whose temperature remains below the temperature of reoalesoenoe. for the mass production of articles comprising parts intended for heat treatment,
according to the invention it is possible to have a group of heating elements intended to be cooled continuously, while these elements are used one after the other and for a determined time, with the aid of a refrigerant system connected to permanently, and preferably common to all groups. Means are also provided for individually energizing and for ceasing to energize each of the heating elements, without interrupting the operation of the refrigeration device, which provides the heating elements with an ample cooling period between the periods of operation, without there being stoppage of production.
Such a device is shown schematically in Figures 6 and 7 in which there is shown a group of heating elements 36, suitably mounted on a suitable support, such as a frame 37, and having tubular extensions 38 and 39, connecting the terminal 24 of the helical winding and the threaded terminal 28 (figure 1), through suitable conduits with high resistance or insulating and such as rubber hoses 40 and 41, to the oana-
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respective lizations 42 and 43 for the admission and for the evacuation of the coolant.
Appropriate electrical connections are made between tubular extensions 38 and 39 and a suitable source of alternating current 51; these connections consist of terminals 44 and 45, of conductors 46 and 47, of switches 48 and of conductors 49 and 50.
During the foundation, the coolant is continuously supplied to the group of heating elements 36, through the pipes 42 - 43, from a suitable source, not shown in the drawing, while the operator places an object, such as a hub 1 integral with a brake drum, on one of the heating elements 36, for example on the one placed on the far right, as has been shown in FIG. 6.
The operator then energizes the heating element 36, by closing for a determined time, the switch 48 which is also on the extreme right, after which he opens the switch and removes the hub, to cool it.
The operator then uses another heating element, for example the intermediate element and so on, taking turns using all the heating elements that are part of the group, the remaining heating elements being used in turn. continuing to be cooled, as long as they are not in use.
Although the multiple heating elements are mechanically connected to pipes 42 and 43 for the supply and discharge of the refrigerant fluid, they are electrically and adequately insulated to be able to be individually energized, such isolation being provided by the use of individual refrigeration connections 40 - 41 made of insulating material and such as ordinary rubber pipes or rubber pipes lined with canvas,
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or the like, the length of which is sufficient to enable the heating elements to be effectively insulated from an electrical point of view, by use of the electrical resistance, or the insulating properties of the refrigerant.
Any suitable method can be used which avoids undue energy losses in refrigeration systems and in particular when water is used as the refrigerant fluid. For example, each heating element can be provided with a separate and independent refrigeration system, comprising separate pumps and tanks.
Although, for the sake of simplicity of the description, the switches 48 have been represented in the form of bipolar switches, with manually operable knives, it is desirable, in practice, to use, instead of these. ci, foot switches, so that the operator can easily close the circuit immediately after having set up the workpiece and that he can have his hands free, to remove the said part immediately afterwards. opening of the switch.
Relays of any suitable form can also be used to regulate the duration of the circuit closing, either from a purely chronometric point of view, or to vary it according to the quantity of energy used, according to the rise in temperature. , eto ....
The embodiments of the invention which has just been described are given only by way of example, but it is understood that the invention is not limited to these embodiments, but that one can to make a large number of modifications thereto (without however departing from the spirit of the invention.
CLAIMS.
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