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APPAREIL ET PROCEDE POUR L'USINAGE ET LE TRAITEMENT THERMIQUE
DE PIECES.-
La présente invention est relative à un appareil et à un procé- dé de trempe superficielle de pièces.
Elle vise une organisation destinée à usiner et à, traiter à chaud une pièce et comprenant: un dispositif permettant d'usiner une partie de cette pièce, un dispositif permettant de chauffer rapidement dans la pièce une zone superficielle qui ne doit pas être usinée mais qui est voisine de la partie que l'on doit usiner, et des dispositifs permettant de faire tour- ner la pièce par rapport au dispositif d'usinage,et de chauffage; cette organisation permettant d'usinet et de chauffer simultanément de façon sen- siblement uniforme la zone superficielle jusqu'à une profondeur désirée.
L'invention a trait également à un procédé de trempe d'une zone superficielle d'une pièce métallique, procédé dans lequel on chauffe une partie de la pièce pour conduire en partie la chaleur à travers cette pièce vers la zone superficielle, on chauffe cette zone superficielle à une tempé- rature plus élevée que celle de la partie chauffée précitée, tout en chauf- fant cette partie précitée ; et on applique un fluide de refroidissement à la zone superficielle chauffée afin de la tremper.
La présente invention a pour objet: - Un appareil et un procédé d'usinage de pièces métalliques pour obtenir des pièces de roulement et des pièces analogues et pour tremper ces pièces à leur surface; .- Un appareil et un procédé permettant simultanément d'usiner une pièce métallique pour en former une pièce de roulement ou une pièce ana- logue et de tremper cette pièce sur sa surface;
- Un appareil et un procédé d'usinage et de trempe superficielle d'une pièce de roulement ou d'une autre pièce soumise à une usure par frot- tement, procédé dans lequel on fait tourner la pièce pour effectuer sur elle
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une opération de coupe et on la chauffe par induction pendant qu'elle tour- ne pour assurer une répartition sensiblement uniforme de la chaleur induite dans la ou les surfaces de la pièce que l'on doit durcir; - Un appareil et un procédé permettant simultanément de couper et de tremper une pièce de roulement, ou une autre pièce soumise à une usure par frottement, à un seul poste pendant une opération d'usinage de cette pièce;
- Un- appareil et un procédé pour usiner et tremper superficiel- lement une pièce métallique, appareil dans lequel l'équipement de trempe comprend un appareil d'induction à haute fréquence permettant de traiter à chaud une zone superficielle à durcir de la pièce; - Un dispositif combiné de coupe et de trempe que l'on peut asso- cier à une machine à décolleter automatique comprenant plusieurs postes aux- quels on amène successivement les roulements ou d'autres pièces pour y effec- tuer des opérations différentes pendant les étapes d'usinage, machine incor- porant en outre un appareil, de trempe situé à l'un des postes précités; - Un appareil et un procédé de trempe superficielle de pièces métalliques telles que des pièces ferreuses de roulement et analogues;
- Un procédé et un appareil de trempe superficielle d'une pièce caractérisés par le fait qu'on chauffe rapidement une zone superficielle de la pièce et que simultanément on chauffe une partie de cette pièce située assez près de la zone superficielle pour modifier l'effet de chauffage exer- cé dans celle-ci;
- Un appareil et un procédé de trempe superficielle de pièces métalliques, telles que des pièces de roulement et des pièces analogues, con- sistant à utiliser un moyen de chauffage, qui peut prendre la forme d'une bobine d'induction haute fréquence, afin de porter une zone superficielle de la pièce à une température élevée, à chauffer simultanément à plus faible température une seconde zone superficielle de la pièce par tout dispositif approprié dégageant de la chaleur, afin de retarder le passage par conduc- tion de la chaleur induite depuis la première zone jusque vers la seconde, et, enfin, à appliquer un fluide de refroidissement à la zone superficielle chauffée par induction afin de durcir cette dernière;
- Un appareil et un procédé de trempe d'une pièce, dans les- quels on chauffe par induction une zone superficielle de la pièce et on a- mène simultanément un outil de coupe en contact avec cette pièce pour usiner une partie qui se trouve à distance de la zone superficielle, cet outil de coupe venant en prise avec la pièce assez près de la zone superficielle chauf- fée par induction pour poduire pendant la coupe un échauffement qui suffit à modifier l'effet de chauffage par induction sur la zone superficielle;
- Un procédé et un appareil permettant de former et de tremper superficiellement une pièce, procédé dans lequel on chauffe rapidement une zone superficielle de la pièce à l'aide d'un organe de chauffage, tel qu'une bobine d'induction haute fréquence, et simultanément on met en contact avec la pièce un outil de coupe, afin de former dans cette pièce une partie dé- sirée située à distance de la zone superficielle, l'outil de coupe venant en contact avec la pièce assez près de cette zone superficielle pour pro- duire, indépendamment de l'organe de chauffage précité, une chaleur qui suf- fit à réduire et à retarder sensiblement l'écoulement de la chaleur induite depuis la zone superficielle chauffée par induction jusqu'aux autres par- ties relativement plus froides de la pièce, et, enfin,
on applique un milieu de refroidissement à la zone superficielle chauffée par induction, afin d'en effectuer la trempe ; - Un procédé et un appareil permettant de durcir de manière sa- tisfaisante la surface latérale interne et la surface de fond de la cavité d'une cuvette de roulement, la trempe satisfaisante de la surface de fond présentant des difficultés beaucoup plus grandes que la trempe de la surface latérale;
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- Un appareil et un procédé pour la trempe des surfaces internes d'une cuvette de roulement qui comporte une gorge externe destinée à recevoir une bague fendue, appareil et procédé grâce auxquels on peut contrôler la profondeur de trempe de la paroi latérale de la cuvette, de manière que cette trempe ne traverse pas la paroi latérale en atteignant le fond de la gorge.
D'autres objets et caractéristiques de la présente invention ap- paraîtront à la lecture de la description ci-dessous, faite en relation avec le dessin annexé. Bien que dans la description et sur le dessin joint, on ait représenté et décrit l'invention dans son application à certains buts particuliers, il est bien entendu que l'invention ne doit pas être limitée à la réalisation et à l'utilisation particulières représentées et décrites.
Il est évident que de nombreuses modifications ainsi que d'autres usages apparaîtront d'eux-mêmes au technicien d'après la description ci-dessous.
La fig. 1 représente une machine à décolleter automatique et mon- tre schématiquement les diverses opérations de la machine lorsqu'elle usine successivement des pièces métalliques pour en faire des pièces de roulement terminées, cette machine étant munie d'un appareillage permettant de durcir les surfaces desdites pièces de roulement;
La fige 2 est une coupe, à beaucoup plus grande échelle, du dis- positif d'usinage et de trempe représenté au poste 7 de la fig. 1;
La fig. 3 est une vue fortement agrandie d'une pièce semblable à celle qui est représentée sur la fig. 2 ;
cette figure montre ,schématique- ment par des pointillés les profondeurs de durcissement des zones superficiel- les latérales et de fond de la cavité de la partie de la pièce qui sert de portée, ce durcissement résultant de l'usinage et du chauffage par induction simultanée des zones superficielles ;
La fig. 4 est une vue à très grande échelle d'une éprouvette que l'on compare à celle de la fig. 3 et représente par des pointillés la pro- fondeur de trempe des zones superficielles de la partie en cuvette de roule- ment de la pièce, trempe obtenue lorsqu'on effectue l'usinage avant le chauf- fage par induction et non en même temps que lui;
La fig. 5 est une vue schématique représentant une variante de l'appareillage.
Si l'on se réfère au dessin, on a représenté de manière schémati- que, sur la fig. 1, .une machine à décolleter automatique qui comprend une tourelle désignée dans son ensemble par 10; cette tourelle pivote en 11 pour tourner dans le sens qu'indique la flèche 10a, et comprend des bras ou bro- ches 12 disposées radialement, chacune de ces broches tournant autour de son axe longitudinal, comme on l'a indiqué par les flèches 12a; sur les extrémités extérieures de ces bras sont fixés des tronçons cylindriques 13 de barre d'a- cier, de préférence d'acier résistant aux efforts et laminé à chaud, connu aux Etats-Unis sous la désignation C 1144 ( A.S.M. Handbook of Metals); ces tronçons d'acier doivent être usinés successivement, comme on va le décrire, par des outils, afin de donner des cuvettes de roulement.
On peut remarquer que la machine comporte plusieurs postes 1 à 8 inclusivement pour former successivement un tronçon 13 de barre à l'aide d'ou- tils convenables, depuis l'opération d'usinage initiale effectuée au poste 1 jusqu'à la cuvette de roulement finie obtenue au poste 8. Plus particuliè- rement, on a montré au poste 1 la pièce tournante 13 dans laquelle on perce un alésage-cylindrique au moyen d'un foret 14,'tandis que sa surface extérieu- re subit une opération de chariotage effectuée par un outil de coupe 15.
Au poste 2, une autre opération de chariotage est effectuée sur une autre partie extérieure de la pièce 13 ; en même temps, un outil de forme 16 creuse des gor- ges circonférentielles 17 et 18 dans la surface extérieure cylindrique de cet- te pièce et un outil à chanfreiner 18a pénètre dans l'alésage cylindrique for- mé @ dans la pièce 13 par le foret 14 du poste 1. La gorge 17 sert finale- ment de gorge pour une bague fendue destinée à maintenir la cuvette de roule- ment en place dans un'joint de manière bien connue. Au poste 3, on chan- freine la pièce à l'aide d'un outil de coupe 19 et l'extérieur et les gorges 17 et 18 sont mis au rond par un outil 20 afin d'assurer la concentricité axi-
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ale.
Au poste 4, on alèse la pièce 13 en insérant un outil approprié 21 qui joue ce rôle dans l'alésage de la pièce, etla partie 22 de cette pièce qui constitue la cuvette de roulement est séparée par un outil de saignée 23, de l'autre partie 22a de la barre fixée-à l'arbre tournant 12 associé. Le poste 5 montre les opérations de finition des surfaces cylindriques intérieu- re et extérieure de la pièce à l'aide d'outils appropriés 24 et 25 qui a- mènent les surfaces au diamètre et au fini désirés. Le poste 6 montre d'au- tres opérations de plongée et de chanfreinage à l'aide d'outils désignés res- pectivement par 26 et 27.
Au poste 7, un outil 28 saigne encore plus et donc réduit le diamètre de la queu ou raccord 61 entre la partie 22 formant cuvette de roulement et la partie 22a de la barre montée sur la tourelle, tandis que s'effectue un chauffage par induction destiné à durcir les surfa- ces intérieures de la cuvette 22 grâce à l'appareil désigné dans son ensem- ble en 29. L'outil de coupe 28 enlève le métal en même temps que se pro- duit le chauffage par induction et l'on effectue cette opération de coupe sans appliquer de refroidissement ni à l'outil, ni à la pièce, si bien que l'outil 28 provoque un échauffement indépendant de cette pièce, échauffement qui entraîne une trempe améliorée des surfaces internes de la cuvette 22 com- me on l'expliquera en détail plus loin.
Le poste 8 montre le sectionnement de la cuvette 22 par rapport à la-barre 22 a maintenue par la tourelle, sec- tionnement effectué par l'outil de saignée 30, ainsi que l'enlèvement de la cuvette terminée 22 grâce au dispositif de saisie 30a qui la retire de la tourelle. On remarquera que dans chacune des opérations de coupe précitées effectuées sur la pièce 13, cette pièce tourne tandis que les outils de cou- pe peuvent se déplacer vers la pièce pour effectuer leur opération d'usinage.
La présente invention vise essentiellement l'opération combinée d'usinage à la machine outil et de trempe superficielle effectuée sur la piè- ce 13 au poste 7 de la machine à décolleter sur laquelle, ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, la pièce 13 est maintenue par la broche tournante 12 pendant que'l'outil 28 effectue sur elle une saignée afin de continuer à sé- parer la partie 22 de la pièce, constituant une cuvette de roulement, du reste 22a de cette pièce, tandis que l'appareil 29 trempe les surfaces inté- rieures de la cavité ménagée dans la cuvette 22.
En se référant maintenant à la fig. 2, qui montre, à plus grande échelle et avec plus de détails, le dispositif utilisé au poste 7 pour exécu- ter sur la pièce 13 les opérations précitées d'usinage et de trempe, on voit que ce dispositif comporte l'appareil de-trempe superficielle 29 qui peut se déplacer vers la pièce 13 et s'éloigner de celle-ci, et qui a pour rôle de chauffer les surfaces intérieures de la cuvette 22 à l'aide de courants d'in- duction haute fréquence, puis de projeter un liquide de refroidissement sur ces surfaces pendant que l'outil 28 exécute la saignée. A cet effet, on pré- voit une pièce ou support tubulaire fixe 31, dans l'alésage 33 duquel est mon- té un arbre 32 qui peut se déplacer axialement dans ladite pièce pour s'ap- procher de la pièce 13 et s en éloigner, comme l'indique la flèche 34.
Un support 35 en matière isolante est fixé à l'extrémité de l'arbre, au voisina- ge de la pièce 13, par un raccord fileté 36 et comporte en face l'un de l'au- tre des bras verticaux supérieur et inférieur 37 et 38 qui se prolongent la- téralement vers la pièce 13. Les bras 37 et 38 comportent des alésages 39 et 40 disposés en ligne et qui reçoivent les extrémités opposées 41 et 42 d'une bobine d'induction métallique creuse indiquée dans son ensemble en 43.
Une extrémité 41 de la bobine 43 est montée à serrage dur dans l'extrémité 44 d'un tube souple L5 en cuivre, ou en autre matière à bone conductibilité électri- que, qui serre l'alésage 39 du bras de support 37; l'autre extrémité 42 de la bobine 43 est montée de la même façon dans une extrémité 46 d'un tube souple 47 qui la serre ainsi que l'alésage 40 ménagé dans le bras de support 38, la bobine d'induction 43 étant ainsi fixée aux bras de support 37 et 38 et entre eux et pouvant par conséquent se déplacer avec l'arbre 32 pour s'approcher de la pièce 13 et s'en éloigner.
La bobine d'induction 43 présente, entre ses extrémités alignées verticalement, une partie en forme de nez qui est décalée angulairement et que l'on peut introduire dans l'alésage de la cuvette 22 ou sortir de cet alé- sage ; ce nez comprend deux parties horizontales 48-48 qui, comme on le voit
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sur la fig. 2, peuvent être placées au voisinage de la paroi cylindrique la- térale 49 de la cuvette 22; ces parties 48-48 sont reliées à une partie cen- trale 50 voisine de la paroi terminale plate 51 de la cavité ménagée dans la cuvette, si bien que ces parties de la bobine sont disposées par rapport aux surfaces internes des parois de la cuvette, de telle manière que la bobine se trouve en position de chauffage inductif de ces surfaces.
Les extrémités 41 et 42 de la bobine d'induction 43 sont reliées respectivement à des con- ducteurs 52 et 53 qui conduisent à une source de courant non représentée qui fournit à la bobine 43 du courant alternatif à haute fréquence.
La bobine d'induction 43 est creuse et un fluide de refroidisse- ment peut circuler à son intérieur grâce à des tubes souples 45 et 47 montés aux extrémités opposées'41 et 42 de la bobine 43 et qui constituent respec- tivement une conduite d'arrivée et une conduite de départ du fluide qui tra- verse cette'bobine 43 en refroidissant l'électrode qui sans cela ne pourrait fonctionner en service continu.
L'arbre cylindrique 32 est percé d'un passage radial 54 relié à un passage axial 55et muni d'un raccord creux 56 vissé-dans l'arbre 32, un tube souple 57 étant fixé ^ ce raccord 56. Dans le passage 55 est fixé un tube'rigide non métallique 58 qui fait saillie-axialement de l'arbre, passe entre les parties horizontales 48-48 de la bobine 43 et s'ouvre en face du raccordement vertical 50 reliant ces parties 48 Le tube 57 sert de canali- sation d'admission pour un fluide de trempe refroidissant que, après avoir chauffé pendant un certain temps la cuvette de roulement à l'aide de la bo- bine d'induction, lon fait passer dans le raccord creux 56, dans le passage axial 55 de 1 arbre 32 et dans le tube 58,
d'où il est éjecté avec force sur la surface chauffée 59 de la paroi 49 et sur la surface chauffée 60 de la pa- roi 51 de la cuvette, en provoquant la trempe de ces surfaces. On voit éga- lement que le fluide de refroidissement a aussi pour effet de dissiper ou de réduire la chaleur que l'usinage a dégagée dans l'épaisseur de la cuvette.
Dans le fonctionnement de la combinaison perfectionnée conforme à l'invention d'une machine-outil et d un appareil de trempe superficielle, lorsqu'une pièce 13 arrive au poste 7 représenté sur la fig. 1 par rotation de la tourelle autour de son pivot 11, on amène vers la pièce, que la broche associée 12 fait tourner, l'outil de coupe 28 qui est mis électriquement à la terre par l'intermédiaire de la machine à décolleter; cet outil plonge dans la queue 61 qui réunit la partie 22 de la pièce 13, qui constitue une cu- vette, et la partie 22a de cette pièce qui est maintenue par la tourelle en réduisant le diamètre de cette queue d'environ 16 mm. à environ 11 mm.
On remarquera que l'on.introduit l'outil de coupe 28 dans la gorge 62 dont les flancs sont constitués par la face plane extérieure 63 de la paroi de fond 51 de la cuvette 22 et par la face parallèle voisine 64 du tronçon restant 22a; l'outil 28 présente une largeur suffisante pour venir en con- tact avec les flancs 63 et 64 .de la gorge 62, de manière à dresser la face 63 de la cuvette 22 en enlevant du métal afin d'effacer les traces laissées par les outils de coupe antérieurs 16, 23 et/ou 27 et afin de former une face externe plane continue 63 pendant que l'outil 28 pénètre dans la queue 61, ainsi qu'on le voit aisément en examinant cette surface 63 au poste 8 de la fig. 1.
Pendant ce dressage, on avance axialement l'arbre 32 vers la pièce 13 afin d'amener le nez de la bobine d'induction 43 dans l'alésage de la cuvette 22, comme on le voit sur la fig. 2, et, pendant que la bro- che 12 fait tourner cette cuvette 22, on établit le courant pendant un certain temps afin de chauffer au moyen de la bobine d'induction 43 les pa- rois 49 et 51 de la cuvette, les surfaces internes 59 et 60 de ces parois étant ainsi chauffées par le courant qui passe dans ces zonês- des parois.
A la fin d'une courte période de chauffage-pendant laquelle les tempéra- tures des zones superficielles 59 et 60 montent jusqu'à environ 900 C, on éjecte sous force un fluide refroidissant tel que de l'huile par le tube 58 que porte l'arbre 32, afin d'effectuer la trempe par le contact du fluide de refroidissement sur les surfaces respectives 59 et 60 de la paroi laté- rale cylindrique 49 et de la paroi de fond 51 de la cuvette.
Il est évi- dent que l'on place la bobine d'induction 43 à une distance convenable des
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surfaces 59 et 60 de la cuvette qui doivent être trempées et que, en appli- quant de manière convenable le courant pendant une durée prédéterminée à l'électrode ou inducteur 43, il est possible de chauffer les surfaces désirées à la température critique nécessaire pour provoquer la trempe par refroidissement.
Une caractéristique importante de l'invention réside dans l'éner- gie du traitement thermique des parois 49 et 51 de la cuvette 22, du fait qu'on effectue le dressage en même temps que le chauffage par induction.,
Jusqu'à présent, il était particulièrement difficile d'obtenir la profondeur de trempe et la dureté voulues, c'est-à-dire une profondeur de 1 à 1,5 mm et une dureté Rockwell C 59-63 sur le fond de la cavité d'une cuvette au moyen de la trempe par induction, tout en contrôlant en même temps la zone de trempe de la paroi latérale, de manière qu'elle ne dépasse pas une profondeur désirée. Cependant, on peut obtenir convenablement les caractéristiques de dureté désirées en mettant en oeuvre les principes de la présente invention.
Les figs. 3 et 4 montrent schématiquement à plus grande échelle des éprouvettes caractéristiques; sur l'éprouvette de la fig. 3 on a réduit le diamètre de la queue 61, au poste 7, depuis environ 16 mm jusqu'à environ 11 mm pendant la trempe à chaud, et sur l'éprouvette de la fig. 4 on a de même réduit la queue 61 au même diamètre, mais, avant de chauffer par induc- tion et de tremper l'éprouvette. Ces éprouvette montrent que l'on a obte- nu dans la zone trempée, indiquée par la surface pointillée et le chiffre de référence 60a de la fig.
3, une profondeur de trempe et une dureté plus grandes, en chauffant et trempant simultanément, que celles que l'on a obte- nues en chauffant par induction, sans usinage ou sans chauffer indépendam- ment d'autre manière la pièce 13 dans la région de la queue 61. La fig.
4 montre les résultats obtenus dans ces dernières conditions dans lesquelles la zone trempée 60c a une profondeur moindre que la zone 60a En réalité, les éprouvettes montrent que la zone trempée 60a des échantillon montrés sur la fige 3 avait la profondeur de trempe et la dureté superficielle Rock- well C 61 voulues, tandis que la zone 60c des éprouvettes représentées fig.
4 avait une profondeur maximum de trempe de 0,75 à 0,85 mm et une dureté superficielle inférieure à 59 Rockwell C, ou inférieure au minimum accep- table. De même, l'étendue radiale de la zone trempée 60a est plus grande que celle de la zone 60c et l'on doit remarquer particulièrement que la zone 60a se prolonge jusqu'à un point situé très près de l'angle du fond de la cavité de la cuvette 22, angle qui, s'il était traité thermiquement, constituerait un point de fatigue ou de tension important susceptible de provoquer la rupture de la cuvette.
Il est moins difficile d'obtenir la profondeur de trempe et la dureté désirées dans les zones pointillées des parois latérales des cu- vettes, parce que ces parois entourent la bobine d'induction pendant le cycle de chauffage par induction, tandis que les parois de fond des cuvet- tes se trouvent seulement en face de l'extrémité 50 de la bobine d'induction.
Cet effet est bien connu dans la technique du chauffage par induction.
Lorsqu'on atteint dans la zone de fond 60a les caractéristiques de dureté désirées, on constate également que la zone latérale 59a acquiert les caractéristiques de dureté voulues sans que la trempe pénètre jusqu'au fond de la gorge 17. Cependant, on a constaté qu'en prolongeant le chauf- fage par induction d'un échantillon tel que celui qui est représenté sur la fig.
4, afin d'augmenter la profondeur de trempe de la zone de fond 60C, pour que cette profondeur corresponde à celle de la zone 60a de la fige 3, la trempe de la zone latérale 59c devient assez profonde pour atteindre la gorge 17. Cela est tout à fait indésirable parce que cette trempe fait perdre au métal qui forme la gorge 17 sa ductilité, si bien que la cuvette est susceptible de casser en deux à cette gorge, soit pendant le montage d'un joint universel, soit en service.
Une théorie susceptible d'expliquer les avantages importants que présente la cuvette de roulement représentée sur les fig. 2 ou 3, par rapport à la cuvette représentée sur la fige 4, est que les courants à haute fréquen-
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ce induits dans la pièce développent une chaleur qui pénètre dans les pa- rois 49 et 51 par les surfaces 59 et 60 jusqu'à une profondeur d'environ 0,5 mm.
Cette chaleur d'induction tend à s'évacuer rapidement par con- duction des zones superficielles de la pièce jusqu'aux parties plus froi-.. des des parois 49 et 51 et elle tend également, dans le cas de la zone superficielle de fond 60a ou 60c, à s'échapper par la queue 61 jusqu'à la barre 22a, d'autant plus que, suivant les principes de-physique con- nus, la chaleur tend à passer rapidement d'une partie chaude d'une pièce métallique jusqu'à une partie relativement plus froide de cette piè- ceo Il est essentiel que la chaleur induite dans les parois 49 et 51 soit retenue autant que possible, afin que les parties intérieures des parois se trouvent chauffées correctement, pour donner des zones ayant la profon- deur de trempe désirée, ainsi que des surfaces qui présentent la dureté désirée;
bien entendu, si la chaleur peut rapidement s'évacuer des parties chauffées par induction des parois 49 et 51 à travers la queue 61 jusqu'à la barre 22a, on ne peut atteindre dans les parois 49 et 51 la profondeur de trempe et la dureté désirées, ce qui provoque une trempe non satisfa- sante.
Dans le cas présent, la chaleur provoquée par le contact de l'outil de coupe avec la queue 61, dans le but de séparer encore plus la cuvette 22 de la barre 22a, a pour effet fondamental de retarder de manière sensible la conduction à travers la queue 61 de la chaleur induite depuis les parois 49 et 51 jusque vers la barre 22a, bien qu'il soit possible que la quantité de chaleur relativement faible que produit l'usinage sur une profondeur re- lativement légère de la face extérieure 63 de la paroi de fond 51 dans le but d'enlever du métal pour supprimer les marques laissées par les outils antérieurs,
puisse également donner un effet légèrement intéressant pour retarder l'écoulement de .chaleur. La chaleur que l'outil de coupe 28 déve- loppe dans la paroi 51 et dans la queue 61 a pour effet de produire des zones chaudes entre les parties chauffées par induction des parois 49 et 51 et la masse froide que représente la barre 22a, les zones chauffées par l'outil ayant pour effet de retarder la fuite par conduction de la chaleur depuis les parois chauffées par induction de la cuvette 22, d'autant plus que la différence de température entre les parois 49-51 et la queue 61 est plus faible que la différence qui existe entre ces parois et la barre 22a.
On voit clairement d'après les figs. 3 et 4, qui représentent des éprouvettes obtenues en pratique, que le chauffage de la cuvette par l'ou- til de coupe 28 modifie par inhérence la répartition ou diagramme de cha- leur dans les parois 49 et 51 de la fig. 3, par rapport à la répartition de chaleur produite par chauffage par induction après usinage montrée sur la fig. 4, la différence pouvant être attribuée au fait ,que la chaleur que dé- gage l'usinage agit comme une barrière et évite une conduction excessive de la chaleur induite depuis les parois 49 et 51 jusqu'à la queue 61 et à la barre 22a, ce qui produit une répartition de chaleur sensiblement plus uni- forme etune profondeur et une étendue plus grandes de dureté superficielle dans les zones 59a et 60a Les éprouvettes représentées sur les figs.
3 et 4 montrent clairement les avantages que l'on obtient en effectuant simulta- nément l'usinage et le chauffage.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, on utilise un appareil à haute fréquence (dont certaines parties ne sont pas représentées mais sont bien connues) susceptible de-donner 20 kw. à 450.000 périodes, le générateur étant placé à environ quatre mètres de la pièce à traiter thermiquement et étant relié, à l'aide d'un câble coaxial venant de l'oscillateur de cet ap- pareil, à un transformateur approprié faisant partie de cet appareil et voisin de la machine à décolleter; bien entendu, ce transformateur est con- necté à la bobine d'induction 43 de l'appareil 29.
Cette bobine 43 se trouve sur l'axe de rotation de la pièce 13 et pénètre dans la cuvette de roulement 22 jusqu'à ce qu'elle se trouve à environ 0,5 mm de la surface 60 de la pa- roi 51 de cette cuvette; on la place à environ 1,2 à 1,5 mm de la surface cylindrique 59 de cette même cuvette.
Le couplage serré (0,5 mm) entre l'ex- trémité 50 de la bobine d'induction 43 et la surface 60 est réalisé dans le but de concentrer dans la paroi 51 l'effet de chauffage par induction le plus grand possible, le rendement du chauffage sur la paroi 51 étant environ 1/3
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de celui qui s'exerce sur la paroi 49. Il est don nécessaire de donner à l'extrémité 50 de la bobine d'induction 43 par rapport à la paroi 51, un couplage plus serré d'environ 2/3 que celui qui existe par rapport à la paroi 49 afin d'obenir environ le même rendement de chauffage.'
Si l'on effectue le chauffage par induction après l'usinage et non en même temps que lui,
il est très difficile d'obtenir dans les parois 49 et 51 les caractéristiques de dureté désirées ainsi qu'on l'a indiqué précé- demment. Cependant, lorsqu'on effectue simultanément l'usinage et le chauf- fage par induction, l'outil 28 commence à plonger environ 5 à 6 secondes avant que la bobine d'induction 43 commence à induire de la chaleur dans les parois de la cuvette,''le chauffage par induction étant continu pendant 1,3 seconde et le dressage continuant pendant le chauffage par induction et ensuite pendant environ 5 à 6 secondes.
L'outil de coupe 28 produit un échauffement qui atteint au moins 260 G ou plus suivant l'affûtage de cet outil (on a déterminé cette température en comparant soigneusement la couleur des copeaux produits par l'outil à la couleur d'échantillons du même acier que l'on avait chauffés progressivement dans un petit four électrique à échan- tillons à des températures croissantes jusqu'à ce que la couleur correspon- de à celle des copeaux, ce processus étant le seul mode pratique de détermi- nation de cette température).
Cette température de 260 C a pour effet de retarder la tendance que présente la masse relativement froide à entraîner la chaleur induite depuis les parois 49 et 51 jusqu'à la barre 22a par la queue 61, et permet à la température de ces parois de s'élever rapidement jusqu'à environ 900 C. ce qui donne la température critiqué convenable pour obtenir une dureté de surface Rockwell C 59-63. En fait, le chauffage par induction dégage une température d'environ 4800 C dans la paroi latérale 49 au fond de la gorge 17 de la bague fendue (c'est-à-dire à la plus mince section de la cuvette 22 chauffée par induction), et porte cette paroi de fond à l'incandescence avec une couleur rouge cerise sombre.
La retenue sensible de la chaleur induite dans les parois 49 et 51, par suite de la suppression pratique des pertes ou du transfert par conduction de la chaleur induite,est un facteur décisif pour obtenir l'é- tendue superficielle et la profondeur de trempe désirées, ainsi que la du- reté voulue. Toutes ces caractéristiques sont importantes et sont essen- tielles pour résister à l'usure par frottement et aux charges de compres- sion élevées. La dureté et la profondeur de trempe dépendent toutes deux de la retenue de la chaleur induite dans les zones superficielles.
Après avoir arrosé les parois de la cuvette 22 pour compléter la trempe, on manoeuvre l'arbre 32 pour retirer la bobine d'induction 43 hors de la cuvette ; en faisant tourner la tourelle 10, on amène la pièce 13 au poste 8 de la machine à décolleter pour la dernière opéra- tion de saignée effectuée par l'outil 30.
Il est bien évident que, par suite de la rotation de la-pièce 13 pendant que l'on- trempe les surfaces internes de la cuvette de roulement 22 qui fait partie de cette pièce, on obtient une profondeur radiale de trempe bien uniforme mar la pénétration régulière de la chaleur dans les parois 49 et 51 de la cuvette et par l'arrosage ultérieur de l'intérieur de cette cuvette.
Bien que l'on ait représenté un outil de coupe comme instrument chargé de dégager de la chaleur afin de retarder sensiblement: le 'passage de la chaleurproduite pari ind uction électrique dans les parois 49 et 51 de la cuvette de roulement, la fig. 5 montre clairement que l'application, soit d'une flam- me de gaz à l'aide, d'un ajutage 65, soit d'un autre organe produisant de la chaleur, à la paroi de fond 51 et/ou à la queue 61 produit, de même que la chaleur produite par l'outil de coupe, une zone chaude entre la cuvette 22 chauffée par induction et la barre froide 22a,
cette zone retardant sen- siblement le passage de la chaleur induite depuis les parties chauffées par induction des parois 49 et 51 de la cuvette jusqu'aux autres parties rela- tivement plus froides de ces parois et jusqu'à la queue 61 et à la barre 22a; par conséquent, le procédé et l'appareil conformes à la présente inven- tion ne sont pas limités à la production de chaleur à l'aide d'un outil
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de coupe, mais peuvent comprendre également tous éléments capables de déve- lopper de la chaleur dans une zone d'une pièce afin de retarder ou de mo- difier sensiblement la conduction de la chaleur produite dans une autre par- tie de la pièce, d'un côté de la zone précitée, jusqu'à une partie relati- vement froide située de l'autre côté de ladite zone,
ou toute organisation évitant l'écoulement de chaleur induite depuis une zone superficielle d'un produit industriel métallique jusqu'à une masse plus froide en contact avec ce produit industriel.
Il est bien évident que l'on peut utiliser d'autres appareils et d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention que ceux qui ont été décrits, et que l'on peut apporter des modifications., aussi bien au pro- duit qu'à l'appareil et au procédé, sans sortir du domaine de l'invention.
REVENDICATIONS.
1.- Appareil destiné à usiner et à traiter thermniquement une piè- ce comprenant un dispositif pour usiner une partie de ladite pièce, un dis- positif permettant de chauffer rapidement dans cette pièce une zone super- ficielle que l'on ne doit pas usiner mais qui est voisine de la partie de cette pièce que l'on doit usiner, et des dispositifs permettant de faire tourner la pièce par rapport aux dispositifs précités d'usinage et de chauf- fage, afin d'effectuer simultanément l'usinage et le chauffage sensiblement uniformes de la zone superficielle jusqu'à une profondeur désirée.
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APPARATUS AND METHOD FOR MACHINING AND HEAT TREATMENT
THE ROOMS.-
The present invention relates to an apparatus and a process for surface hardening of parts.
It relates to an organization intended to machine and to heat treat a part and comprising: a device making it possible to machine a part of this part, a device making it possible to heat quickly in the part a surface area which must not be machined but which is close to the part to be machined, and devices for rotating the part with respect to the machining device, and for heating; this organization makes it possible to machine and simultaneously heat the surface area in a substantially uniform manner to a desired depth.
The invention also relates to a process for quenching a surface area of a metal part, a process in which a part of the part is heated in order to partially conduct the heat through this part to the surface area, this process is heated. surface zone at a temperature higher than that of the aforementioned heated part, while heating this aforementioned part; and a cooling fluid is applied to the heated surface area in order to quench it.
The present invention relates to: - An apparatus and a method of machining metal parts to obtain rolling parts and similar parts and to quench these parts on their surface; .- An apparatus and a method for simultaneously machining a metal part to form a rolling part or a similar part and quenching this part on its surface;
- An apparatus and method for machining and surface hardening of a rolling part or other part subject to frictional wear, in which the part is rotated to effect on it
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a cutting operation and induction heating while rotating to ensure a substantially uniform distribution of the induced heat in the surface (s) of the workpiece to be hardened; - An apparatus and a method for simultaneously cutting and quenching a rolling part, or another part subjected to frictional wear, at a single station during a machining operation of that part;
- An apparatus and a method for machining and surface hardening a metal part, apparatus in which the hardening equipment comprises a high frequency induction apparatus for heat treating a surface area to be hardened of the part; - A combined cutting and quenching device that can be associated with an automatic bar turning machine comprising several stations to which the bearings or other parts are successively brought in order to carry out different operations during the stages. machining, machine also incorporating a quenching apparatus located at one of the aforementioned stations; - An apparatus and method for surface hardening metal parts such as ferrous bearing parts and the like;
- A method and apparatus for surface hardening of a part characterized by the fact that a surface area of the part of the part is quickly heated and that simultaneously a part of this part located close enough to the surface area is heated to modify the effect of heating exerted therein;
- An apparatus and method for surface hardening metal parts, such as rolling parts and the like, consisting of using a heating means, which may take the form of a high frequency induction coil, in order to to bring a surface area of the room to a high temperature, to simultaneously heat a second surface area of the room to a lower temperature by any suitable device giving off heat, in order to delay the passage by conduction of the heat induced from it the first zone up to the second, and, finally, in applying a cooling fluid to the surface zone heated by induction in order to harden the latter;
- An apparatus and a process for quenching a part, in which a surface area of the part is heated by induction and a cutting tool is simultaneously brought into contact with this part to machine a part which is located at distance from the surface zone, this cutting tool coming into engagement with the workpiece close enough to the surface zone heated by induction to produce during cutting a heating which is sufficient to modify the effect of heating by induction on the surface zone;
- A method and an apparatus for forming and superficially quenching a part, a method in which a surface area of the part is quickly heated using a heating member, such as a high frequency induction coil, and simultaneously a cutting tool is brought into contact with the part, in order to form in this part a desired part located at a distance from the surface zone, the cutting tool coming into contact with the part fairly close to this surface zone to produce, independent of the aforementioned heater, heat sufficient to reduce and substantially retard the flow of induced heat from the inductively heated surface area to other relatively cooler parts of the room, and, finally,
a cooling medium is applied to the surface area heated by induction, in order to quench it; A method and apparatus for satisfactorily curing the inner side surface and the bottom surface of the cavity of a bearing cup, the satisfactory hardening of the bottom surface presenting much greater difficulties than quenching of the lateral surface;
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- An apparatus and method for quenching internal surfaces of a bearing cup which has an outer groove for receiving a split ring, apparatus and method by which the quenching depth of the side wall of the cup can be controlled, so that this quench does not pass through the side wall reaching the bottom of the groove.
Other objects and characteristics of the present invention will become apparent on reading the description below, given in relation to the accompanying drawing. Although the description and the accompanying drawing have shown and described the invention in its application to certain particular purposes, it is understood that the invention should not be limited to the particular embodiment and use shown. and described.
It is evident that many modifications as well as other uses will be apparent to the technician from the description below.
Fig. 1 represents an automatic bar turning machine and schematically shows the various operations of the machine when it successively machines metal parts to make them finished rolling parts, this machine being provided with an apparatus making it possible to harden the surfaces of said parts. bearing;
Fig. 2 is a section, on a much larger scale, of the machining and hardening device shown at station 7 of FIG. 1;
Fig. 3 is a greatly enlarged view of a part similar to that shown in FIG. 2;
this figure shows, schematically by dotted lines the hardening depths of the surface and bottom zones of the cavity of the part of the part which serves as a bearing, this hardening resulting from machining and simultaneous induction heating superficial areas;
Fig. 4 is a view on a very large scale of a test specimen which is compared with that of FIG. 3 and represents by dotted lines the quenching depth of the surface areas of the rolling cup part of the part, quenching obtained when machining is carried out before induction heating and not at the same time as him;
Fig. 5 is a schematic view showing a variant of the apparatus.
Referring to the drawing, there is shown schematically, in FIG. 1,. An automatic bar turning machine which comprises a turret designated as a whole by 10; this turret pivots at 11 to rotate in the direction indicated by arrow 10a, and comprises arms or pins 12 disposed radially, each of these pins rotating around its longitudinal axis, as indicated by arrows 12a ; on the outer ends of these arms are fixed cylindrical sections 13 of steel bar, preferably of stress-resistant and hot-rolled steel, known in the United States under the designation C 1144 (ASM Handbook of Metals) ; these steel sections must be machined successively, as will be described, by tools, in order to give bearing cups.
It can be noted that the machine has several stations 1 to 8 inclusive to successively form a section 13 of bar using suitable tools, from the initial machining operation carried out at station 1 to the cup. finished bearing obtained at station 8. More particularly, it was shown at station 1 the rotating part 13 in which a cylindrical bore is drilled by means of a drill 14, while its outer surface undergoes a cutting operation. stock removal performed by a cutting tool 15.
At station 2, another stock removal operation is performed on another external part of the part 13; at the same time, a tool 16 of the shape of the circumferential grooves 17 and 18 in the cylindrical outer surface of this part and a chamfer tool 18a enters the cylindrical bore formed in the part 13 through the drill 14 of station 1. Groove 17 ultimately serves as a groove for a split ring for holding the bearing cup in place in a joint in well known manner. At station 3, the part is chamfered using a cutting tool 19 and the outside and the grooves 17 and 18 are rounded by a tool 20 in order to ensure axial concentricity.
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ale.
At station 4, the part 13 is matted by inserting an appropriate tool 21 which plays this role in the bore of the part, and the part 22 of this part which constitutes the bearing cup is separated by a grooving tool 23, from the 'other part 22a of the bar attached to the rotating shaft 12 associated. Station 5 shows the operations of finishing the interior and exterior cylindrical surfaces of the workpiece using appropriate tools 24 and 25 which bring the surfaces to the desired diameter and finish. Station 6 shows other plunging and chamfering operations using tools designated 26 and 27 respectively.
At station 7, a tool 28 bleeds even more and therefore reduces the diameter of the shank or connection 61 between the part 22 forming the bearing cup and the part 22a of the bar mounted on the turret, while induction heating takes place. intended to harden the interior surfaces of the bowl 22 by means of the apparatus designated in its assembly as 29. The cutting tool 28 removes the metal at the same time as the induction heating and the heating takes place. this cutting operation is carried out without applying cooling to either the tool or the part, so that the tool 28 causes independent heating of this part, heating which results in improved hardening of the internal surfaces of the bowl 22 com - I will be explained in detail later.
Station 8 shows the sectioning of the cuvette 22 with respect to the bar 22 a held by the turret, sectioning carried out by the bleeding tool 30, as well as the removal of the finished cuvette 22 by means of the gripping device. 30a which removes it from the turret. It will be noted that in each of the aforementioned cutting operations carried out on the part 13, this part rotates while the cutting tools can move towards the part in order to perform their machining operation.
The present invention is essentially aimed at the combined operation of machine tool machining and surface hardening carried out on part 13 at station 7 of the bar-turning machine on which, as indicated above, the part. 13 is held by the rotating spindle 12 while the tool 28 kerfs on it in order to continue to separate the part 22 of the part, constituting a bearing cup, from the remainder 22a of this part, while the part 22a. The apparatus 29 quenches the interior surfaces of the cavity formed in the bowl 22.
Referring now to fig. 2, which shows, on a larger scale and in more detail, the device used at station 7 to carry out the aforementioned machining and hardening operations on part 13, it can be seen that this device comprises the apparatus of- surface quench 29 which can move towards the part 13 and move away from it, and which has the role of heating the interior surfaces of the bowl 22 with the aid of high frequency induction currents, then of spray coolant on these surfaces as tool 28 performs bleeding. For this purpose, a fixed tubular part or support 31 is provided, in the bore 33 of which is mounted a shaft 32 which can move axially in said part to approach the part 13 and in move away, as indicated by arrow 34.
A support 35 of insulating material is fixed to the end of the shaft, in the vicinity of the part 13, by a threaded connection 36 and comprises opposite one of the other of the upper and lower vertical arms. 37 and 38 which extend laterally towards the part 13. The arms 37 and 38 have bores 39 and 40 arranged in line and which receive the opposite ends 41 and 42 of a hollow metal induction coil indicated as a whole. in 43.
One end 41 of the coil 43 is tightly mounted in the end 44 of a flexible tube L5 of copper, or other material with good electrical conductivity, which clamps the bore 39 of the support arm 37; the other end 42 of the coil 43 is mounted in the same way in one end 46 of a flexible tube 47 which clamps it as well as the bore 40 formed in the support arm 38, the induction coil 43 thus being fixed to the support arms 37 and 38 and between them and therefore able to move with the shaft 32 to approach the part 13 and away from it.
The induction coil 43 has, between its vertically aligned ends, a nose-shaped part which is angularly offset and which can be introduced into the bore of the cup 22 or out of this bore; this nose consists of two horizontal parts 48-48 which, as we see
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in fig. 2, can be placed in the vicinity of the lateral cylindrical wall 49 of the bowl 22; these parts 48-48 are connected to a central part 50 adjacent to the flat end wall 51 of the cavity made in the bowl, so that these parts of the coil are arranged relative to the internal surfaces of the walls of the bowl, such that the coil is in the position of inductive heating of these surfaces.
The ends 41 and 42 of the induction coil 43 are respectively connected to conductors 52 and 53 which lead to a current source, not shown, which supplies the coil 43 with alternating current at high frequency.
The induction coil 43 is hollow and a cooling fluid can circulate inside it by means of flexible tubes 45 and 47 mounted at the opposite ends 41 and 42 of the coil 43 and which respectively constitute a duct of the induction coil. inlet and outlet pipe for the fluid which passes through this coil 43, cooling the electrode which otherwise could not operate in continuous service.
The cylindrical shaft 32 is pierced with a radial passage 54 connected to an axial passage 55 and provided with a hollow connector 56 screwed into the shaft 32, a flexible tube 57 being fixed ^ this connector 56. In the passage 55 is fixed a non-metallic rigid tube 58 which protrudes axially from the shaft, passes between the horizontal parts 48-48 of the coil 43 and opens in front of the vertical connection 50 connecting these parts 48 The tube 57 serves as a channel. - inlet station for a cooling quench fluid which, after having heated for a certain time the bearing cup using the induction coil, is passed through the hollow fitting 56, in the axial passage 55 of 1 shaft 32 and in tube 58,
from where it is ejected with force on the heated surface 59 of the wall 49 and on the heated surface 60 of the wall 51 of the bowl, causing these surfaces to quench. It can also be seen that the cooling fluid also has the effect of dissipating or reducing the heat which the machining has given off in the thickness of the cup.
In the operation of the improved combination according to the invention of a machine tool and a surface hardening apparatus, when a part 13 arrives at the station 7 shown in FIG. 1 by rotating the turret around its pivot 11, the cutting tool 28 which is electrically grounded by means of the bar turning machine is brought to the part, which the associated spindle 12 rotates; this tool plunges into the shank 61 which brings together part 22 of part 13, which constitutes a bowl, and part 22a of this part which is held by the turret by reducing the diameter of this shank by approximately 16 mm. about 11 mm.
It will be noted that the cutting tool 28 is introduced into the groove 62, the flanks of which are formed by the outer flat face 63 of the bottom wall 51 of the bowl 22 and by the adjacent parallel face 64 of the remaining section 22a ; the tool 28 has a sufficient width to come into contact with the sides 63 and 64 of the groove 62, so as to raise the face 63 of the cup 22 by removing metal in order to erase the traces left by the previous cutting tools 16, 23 and / or 27 and in order to form a continuous planar outer face 63 while the tool 28 enters the shank 61, as can easily be seen by examining this surface 63 at station 8 of the fig. 1.
During this dressing, the shaft 32 is moved axially towards the part 13 in order to bring the nose of the induction coil 43 into the bore of the cup 22, as seen in FIG. 2, and, while the pin 12 rotates this cuvette 22, the current is established for a certain time in order to heat by means of the induction coil 43 the walls 49 and 51 of the cuvette, the surfaces internal 59 and 60 of these walls thus being heated by the current which passes through these zones of the walls.
At the end of a short heating period during which the temperatures of the surface zones 59 and 60 rise to about 900 ° C., a cooling fluid such as oil is ejected under force through the tube 58 which carries the shaft 32, in order to effect the quenching by the contact of the cooling fluid on the respective surfaces 59 and 60 of the cylindrical side wall 49 and of the bottom wall 51 of the bowl.
It is evident that the induction coil 43 is placed at a suitable distance from the
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surfaces 59 and 60 of the cuvette which are to be quenched and that, by suitably applying current for a predetermined time to the electrode or inductor 43, it is possible to heat the desired surfaces to the critical temperature necessary to cause quenching by cooling.
An important characteristic of the invention resides in the energy of the heat treatment of the walls 49 and 51 of the bowl 22, since the dressing is carried out at the same time as the induction heating.
Until now, it has been particularly difficult to achieve the desired quench depth and hardness, i.e. a depth of 1 to 1.5 mm and a Rockwell C hardness 59-63 on the bottom of the cylinder. cavity of a cuvette by means of induction quenching, while at the same time controlling the quenching area of the side wall, so that it does not exceed a desired depth. However, the desired hardness characteristics can be properly obtained by practicing the principles of the present invention.
Figs. 3 and 4 schematically show on a larger scale characteristic test pieces; on the test piece of FIG. 3 the diameter of the shank 61, at station 7, was reduced from about 16 mm to about 11 mm during the hot quenching, and on the test piece of FIG. 4, the tail 61 was likewise reduced to the same diameter, but, before heating by induction and quenching the test piece. These test pieces show that the hardened area, indicated by the dotted area and the reference numeral 60a in FIG.
3, a greater quenching depth and hardness, by heating and quenching simultaneously, than those obtained by heating by induction, without machining or without independently heating the part 13 in the tail region 61. FIG.
4 shows the results obtained under these latter conditions in which the quenched zone 60c has a lesser depth than the zone 60a In reality, the test pieces show that the quenched zone 60a of the samples shown in fig 3 had the quenching depth and the surface hardness Rockwell C 61 desired, while zone 60c of the specimens shown in fig.
4 had a maximum quench depth of 0.75 to 0.85 mm and a surface hardness less than 59 Rockwell C, or less than the minimum acceptable. Likewise, the radial extent of the hardened zone 60a is greater than that of the zone 60c and it should be particularly noted that the zone 60a extends to a point situated very close to the angle of the bottom of the tank. cavity of the bowl 22, an angle which, if it were heat-treated, would constitute a point of significant fatigue or tension liable to cause the rupture of the bowl.
It is less difficult to achieve the desired quench depth and hardness in the dotted areas of the side walls of the cuvettes, because these walls surround the induction coil during the induction heating cycle, while the walls of The bottom of the cuvettes are located only in front of the end 50 of the induction coil.
This effect is well known in the art of induction heating.
When the desired hardness characteristics are reached in the bottom zone 60a, it is also found that the lateral zone 59a acquires the desired hardness characteristics without the quench penetrating to the bottom of the groove 17. However, it has been found that 'by prolonging the induction heating of a sample such as that shown in FIG.
4, in order to increase the quenching depth of the bottom zone 60C, so that this depth matches that of the zone 60a of the pin 3, the quenching of the side zone 59c becomes deep enough to reach the groove 17. This is quite undesirable because this quenching causes the metal which forms the groove 17 to lose its ductility, so that the cup is liable to break in half at this groove, either during assembly of a universal joint or in service.
A theory capable of explaining the important advantages of the bearing cup shown in FIGS. 2 or 3, with respect to the cuvette shown in fig 4, is that the high-frequency currents
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These induced in the room develop heat which penetrates the walls 49 and 51 through the surfaces 59 and 60 to a depth of about 0.5 mm.
This induction heat tends to be rapidly evacuated by conduction from the surface areas of the part to the colder parts of the walls 49 and 51 and it also tends, in the case of the bottom surface area. 60a or 60c, to escape through the tail 61 to the bar 22a, especially since, according to known principles of physics, the heat tends to pass rapidly from a hot part of a room metallic to a relatively cooler part of this part.It is essential that the heat induced in the walls 49 and 51 is retained as much as possible, so that the interior parts of the walls are heated properly, to give areas having the desired quench depth, as well as surfaces which exhibit the desired hardness;
of course, if the heat can quickly escape from the inductively heated parts of the walls 49 and 51 through the shank 61 to the bar 22a, the quench depth and hardness cannot be achieved in the walls 49 and 51 desired, resulting in unsatisfactory quenching.
In the present case, the heat caused by the contact of the cutting tool with the shank 61, in order to further separate the cup 22 from the bar 22a, has the fundamental effect of substantially delaying the conduction through. the tail 61 of the heat induced from the walls 49 and 51 to the bar 22a, although it is possible that the relatively small amount of heat produced by machining to a relatively slight depth of the outer face 63 of the bottom wall 51 in order to remove metal to remove the marks left by the previous tools,
can also give a slightly interesting effect in retarding the flow of heat. The heat which the cutting tool 28 develops in the wall 51 and in the shank 61 has the effect of producing hot zones between the inductively heated parts of the walls 49 and 51 and the cold mass represented by the bar 22a, the zones heated by the tool having the effect of delaying the leak by heat conduction from the inductively heated walls of the bowl 22, especially as the temperature difference between the walls 49-51 and the tail 61 is smaller than the difference which exists between these walls and the bar 22a.
It is clearly seen from figs. 3 and 4, which represent test pieces obtained in practice, which the heating of the bowl by the cutting tool 28 inherently modifies the distribution or heat diagram in the walls 49 and 51 of FIG. 3, with respect to the heat distribution produced by induction heating after machining shown in FIG. 4, the difference being attributable to the fact that the heat generated by the machining acts as a barrier and avoids excessive conduction of the heat induced from the walls 49 and 51 to the shank 61 and to the bar 22a. , resulting in a substantially more uniform heat distribution and a greater depth and extent of surface hardness in zones 59a and 60a. The test pieces shown in Figs.
3 and 4 clearly show the advantages which are obtained by carrying out simultaneous machining and heating.
In carrying out the invention, a high frequency device is used (certain parts of which are not shown but are well known) capable of giving 20 kw. at 450,000 periods, the generator being placed about four meters from the part to be heat treated and being connected, using a coaxial cable coming from the oscillator of this device, to a suitable transformer forming part of this apparatus and neighbor of the bar turning machine; of course, this transformer is connected to the induction coil 43 of the device 29.
This coil 43 is located on the axis of rotation of the part 13 and enters the bearing cup 22 until it is approximately 0.5 mm from the surface 60 of the wall 51 of this spool. bowl; it is placed approximately 1.2 to 1.5 mm from the cylindrical surface 59 of this same cuvette.
The tight coupling (0.5 mm) between the end 50 of the induction coil 43 and the surface 60 is carried out in order to concentrate in the wall 51 the greatest possible induction heating effect, the heating efficiency on the wall 51 being approximately 1/3
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of that which is exerted on the wall 49. It is therefore necessary to give the end 50 of the induction coil 43 with respect to the wall 51, a tighter coupling of about 2/3 than that which exists relative to wall 49 in order to obtain approximately the same heating efficiency.
If the induction heating is carried out after machining and not at the same time as it,
it is very difficult to obtain in the walls 49 and 51 the desired hardness characteristics as indicated above. However, when both machining and induction heating are performed, tool 28 begins to dip about 5 to 6 seconds before induction coil 43 begins to induce heat into the walls of the bowl. , '' the induction heating being continuous for 1.3 seconds and the dressing continuing during the induction heating and then for about 5 to 6 seconds.
The cutting tool 28 produces a heating which reaches at least 260 G or more depending on the sharpening of this tool (this temperature was determined by carefully comparing the color of the chips produced by the tool with the color of samples of the same. steel which had been gradually heated in a small electric sample furnace at increasing temperatures until the color matched that of the chips, this process being the only practical way to determine this temperature ).
This temperature of 260 C has the effect of delaying the tendency of the relatively cold mass to entrain the heat induced from the walls 49 and 51 to the bar 22a by the tail 61, and allows the temperature of these walls to s Raise rapidly to about 900 ° C. which gives the criticized temperature suitable for obtaining a Rockwell C 59-63 surface hardness. In fact, the induction heating gives off a temperature of about 4800 C in the side wall 49 at the bottom of the groove 17 of the split ring (i.e. at the thinnest section of the bowl 22 heated by induction ), and wears this background wall incandescent with a dark cherry red color.
The substantial retention of the induced heat in walls 49 and 51, as a result of the practical elimination of losses or conduction transfer of the induced heat, is a decisive factor in obtaining the desired surface area and quench depth. , as well as the desired hardness. All of these characteristics are important and are essential for resisting frictional wear and high compressive loads. Both hardness and quench depth depend on the retention of induced heat in the surface areas.
After having sprayed the walls of the bowl 22 to complete the quenching, the shaft 32 is operated to remove the induction coil 43 from the bowl; by rotating the turret 10, the part 13 is brought to station 8 of the bar turning machine for the last slitting operation performed by the tool 30.
It is obvious that, as a result of the rotation of the part 13 while the internal surfaces of the bearing cup 22 which is part of this part are being quenched, a very uniform radial hardening depth is obtained at the regular penetration of heat into the walls 49 and 51 of the bowl and by subsequent watering of the inside of this bowl.
Although a cutting tool has been shown as an instrument responsible for releasing heat in order to appreciably delay: the passage of the heat produced by the electrical induction in the walls 49 and 51 of the bearing cup, FIG. 5 clearly shows that the application, either of a gas flame by means of a nozzle 65, or of another heat producing member, to the bottom wall 51 and / or to the shank 61 produces, as well as the heat produced by the cutting tool, a hot zone between the bowl 22 heated by induction and the cold bar 22a,
this zone appreciably delaying the passage of the heat induced from the inductively heated parts of the walls 49 and 51 of the bowl to the other relatively cooler parts of these walls and to the tail 61 and the bar 22a; therefore, the method and apparatus according to the present invention is not limited to the production of heat using a tool.
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cutting, but can also include any elements capable of developing heat in one area of a room in order to delay or substantially change the conduction of heat produced in another part of the room, d 'one side of the aforementioned zone, up to a relatively cold part located on the other side of said zone,
or any organization avoiding the flow of heat induced from a surface area of an industrial metal product to a cooler mass in contact with this industrial product.
It is obvious that it is possible to use other apparatus and other embodiments of the invention than those which have been described, and that it is possible to make modifications. only the apparatus and the method, without departing from the scope of the invention.
CLAIMS.
1.- Apparatus intended to machine and heat-treat a part comprising a device for machining a part of said part, a device making it possible to quickly heat in this part a surface area which must not be machined. but which is close to the part of this part which must be machined, and devices allowing the part to be rotated with respect to the aforementioned machining and heating devices, in order to simultaneously perform the machining and the heating. substantially uniform heating of the surface area to a desired depth.