CN102037780B - 硬化轮齿和相似组件的永磁铁感应加热 - Google Patents

硬化轮齿和相似组件的永磁铁感应加热 Download PDF

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Abstract

一种借助磁感应加热，热处理轮齿(32a)的表面(32b)的设备(10)，包括：安装在基座(12)上的磁体(40)和工件(或者齿轮)夹具(30)。磁体(40)可绕第一轴(A1)在第一平面中旋转，工件夹具(30)(齿轮(32)能够可拆卸地安装于其上)可在第二平面中绕第二轴(A2)旋转。第一和第二轴(A1，A2)彼此分隔开，第一平面和第二平面彼此相交。设备(10)包括机构(16，22)，所述机构(16，22)相对于彼此地移动磁体(40)和/或工件夹具(30)，以致磁体(40)和工件夹具(30)能够在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，磁体(40)和安装在工件夹具(30)上的齿轮(32)相互形成邻近加热，在所述第二位置，磁体(40)和齿轮(32)相互脱离邻近加热。

Description

硬化轮齿和相似组件的永磁铁感应加热
相关申请的相互参照
本申请要求2008年4月11日提交的美国临时申请61/044,303的优先权，且与2007年5月11日提交的题为“旋转磁热装置”的美国临时申请60/917,515相关。在此结合上述两项申请作为参考。 
联邦资助研发声明
不适用。 
背景技术
本申请涉及轮齿和组件的磁感应加热，尤其涉及相对于轮齿移动磁铁，实现磁感应加热的设备和方法。 
通过热处理表面硬化工件多年来一直是轴承和齿轮行业中的一般惯例。这些年来，各种手段和方法已为人们所知，并不同程度地得到利用。 
感应加热为大家所熟知，并因其有效性和环境友好性而在整个行业内广泛使用。当使导电工件进入变动磁场中时，产生涡流。这些涡流引起表现为发热的欧姆损耗。传统地，变动磁场由通以交流电流的铜质加工线圈产生，所述交流电流的频率由诸如IGBT和MOSFET之类的电力电子开关控制。多数情况下，加工线圈被放置成相对于工作固定不动，使工件相对于线圈移动。工件中的发热和加热体积由下述因素确定：(1)磁通量密度，(2)工件的电导率，和(3)磁场变化的频率。为了增大发热，必须增大加工线圈的电压和频率。这在加工线圈和电力电子开关内造成明显的功率损耗。另外，加工线圈不是很柔韧，系统成本较高。 
发明内容
简要地说，借助磁感应加热，热处理轮齿的设备包括基座，磁体和工件(或齿轮)夹具。磁体和工件夹具安装在基座上。磁体包括圆盘，所述圆盘具有围绕圆盘的圆周布置的多个永磁铁。磁铁具有定义磁铁的北极和南极的相对表面，磁铁布置成环绕着圆盘磁铁的磁极彼此交替。显然，这些表面(因而磁极)通常是从圆盘朝向外部的。另一方面，磁极可由一组磁铁限定。这种情况下，由一组磁铁限定的磁极和由相邻各组磁铁限定的磁极是交替的。磁体与第一轴同心，可绕第一轴旋转，并且可在第一平面中旋转。磁体操作上与心轴传动装置连接，从而被旋转。 
磁体圆盘可包括内部部分，和从内部部分的径向外表面径向延伸的保持 架。圆盘内部部分具有正面和背面，正面和背面都具有内部部分和倾斜的外部部分。倾斜的外部部分朝着彼此倾斜，以致圆盘(44)厚度减小。保持架包括从内部部分的径向外表面径向向外延伸的多个梯形分隔物，和环绕所述分隔物延伸的环状围栏。上述分隔物和围栏结合地限定安放磁铁的多个型腔。 
工件夹具适合于可拆卸地固定待热处理的齿轮。工件夹具与第二轴同心，并且可绕第二轴旋转，第二轴与第一轴(A1)分离。工件夹具可在与第一平面相交的第二平面中旋转。工件夹具操作上与工件传动装置连接，从而被旋转。 
设备还包括使磁体和/或工件夹具相对于彼此移动，从而使磁体和齿轮齿面相互形成邻近加热；以致磁体的旋转引起齿轮齿面的加热。移动磁体和/或工件夹具的装置包括可平行于第一轴，沿基座移动的滑动块，和可平行于第二轴，相对于滑动块移动的心轴块。磁体可旋转地安装在心轴块上。 
为了用上面说明的设备热处理齿轮的齿面，齿轮被可拆卸地安装在工件夹具上。相对于磁体和工件夹具中的一个，移动磁体和工件夹具中的另一个，以使齿轮和磁体形成邻近加热。该最后提及的步骤包括相对于彼此布置磁体和工件夹具，以致磁体的磁铁的相对两面面向待处理轮齿的表面。随后磁体被旋转期望的时间量，以热处理紧邻磁体的齿轮齿面。当完成齿轮齿面的热处理时，移动磁体和工件夹具，以致能够使第二对齿轮齿面与磁体形成邻近加热，从而被加热。继续该过程，直到热处理了所有齿轮齿面为止。 
使新的一对齿轮齿面与磁体形成邻近加热的步骤可包括相对于磁体和工件夹具中的一个，移动磁体和工件夹具中的另一个，以分离磁体和齿轮，以致磁体和齿轮不再相互形成邻近热处理关系，和旋转工件夹具，从而把未处理的齿轮齿面带到待加热的位置；随后相对于磁体和工件中的一个，移动磁体和工件中的另一个，以使齿轮的不同表面，或者相同表面的不同部分与磁体形成邻近加热。 
在举例说明的实施例中，是磁体相对于工件夹具被移动，磁体可相对于工件夹具垂直和水平移动。 
可在连续操作中进行轮齿的热处理。为此，以便于按期望量热处理齿轮齿面的速率，使磁体(40)往复地连续移动经过齿轮齿面。当磁体位于其垂直行进路线的顶部或底部时，步进地旋转工件夹具。 
附图说明
图1a是按照本发明构成的感应加热设备的透视图； 
图1b是逼近齿轮，以对齿轮的轮齿进行热处理的设备的永磁铁部件的透视图； 
图2是没有永磁铁的永磁铁部件的横截面图； 
图3是安装有永磁铁的永磁铁部件的横截面图； 
图4是磁铁部件和齿轮的正视图；和 
图5是类似于图4的正视图，不过相对于图4旋转90°。 
具体实施方式
下面的详细描述举例说明本发明，但不是对本发明的限制。下面的描述无疑使本领域的技术人员能够做出和使用本发明，下面的描述说明了本发明的几个实施例，修改，变化，备选方案和用途，包括目前我们认为实现本发明的最佳方式。由于在上面的结构中可做出各种改变，而不脱离本发明的范围，因此，上面的说明中包含的，或者附图中所示的所有内容应被理解成对本发明的举例说明，而不是对本发明的限制。 
图1中概括地表示了本发明的感应加热设备10。设备10包括上面具有延长的导向装置14的基座12。导向装置14是燕尾形肋条(如图所示)，或者沟道或V形槽。导向装置14被表示成在基座的相对两边缘之间延伸，不过必要时，也可以短些。滑动单元16可沿着导向装置14移动。滑动单元具有底面16a，顶面16b，端面16c，正面16d和背面16e。滑动单元16适合于与导向装置14紧密配合。在所示的例证实施例中，滑动单元16的底面16a具有沿着滑动单元16的长度，形成于其中的燕尾槽或者沟道16f。槽16f的大小和形状对应于导向装置14，以安放导向装置14。如图所示，在槽和肋条使滑动单元16能够相对于基座12水平移动的时候，槽和肋条被对应地加工成形，以防止滑动单元16相对于基座12垂直移动，或者沿垂直于导向装置14的任何其它方向移动。可认识到，其它形状和结构也可用于所述导向装置和槽。例如，导向装置可包括从基座向上伸出的两个分隔开的凸缘，滑动部件可在所述两个凸缘之间滑动。可在滑动单元16的侧面中形成肋条和槽中的一个，而肋条和槽中的另一个形成在凸缘中。肋条和槽的这种组合从而可用于把滑动单元保持在凸缘之间。另一方面，导向装置可包括基座12中的宽到足以安放滑动单元16的沟道。滑动单元可在其侧面设有肋条和槽 中的任一个，而所述沟道可设有肋条和槽中的另一个。 
借助传动螺杆(未示出)，使滑动单元沿着导向装置14相对于基座12移动。如果需要的话，可以使用沿着导向装置14移动滑动单元16的任何其它期望的手段。电动机以速度VH移动滑动单元，速度VH可以是恒速或者变速。即，电动机能够以仅仅一种速度移动滑动单元16，或者电动机的速度能够被改变。 
在滑动单元16的正面16d上形成导向装置20。导向装置20垂直于导向装置14，并且垂直于基座12的平面。心轴单元22被安装在滑动单元16上，沿着滑动单元导向装置20滑动。在所示的例证实施例中，心轴单元设有大小和形状对应于导向装置20的大小和形状的槽。如图所示，心轴单元槽和导向装置20的形状都是燕尾形。如同基座12和滑动单元16一样，可以用允许心轴单元相对于滑动单元16移动，并保持心轴单元邻近滑动单元(即，防止心轴单元脱离滑动单元)的任何期望结构，把心轴单元22安装到滑动单元16上。第二传动螺杆(未示出)被用于沿着滑动单元导向装置20移动心轴单元22。同样地，可以使用任何期望的手段沿着导向装置20移动心轴单元22。用以速度VV移动心轴单元22的电动机(未示出)，沿着滑动单元导向装置20移动心轴单元22。如同滑动单元电动机一样，心轴单元电动机可以是单速电动机或者变速电动机。 
心轴24从心轴单元22的端面伸出，工具件26安装在心轴24的端部。心轴单元22包括电动机(未示出)，所述电动机以转速ωt围绕轴A1旋转心轴24，从而旋转工具件26。轴A1大体平行于基座12的平面。驱动心轴24的电动机可以是和沿着滑动单元导向装置20移动心轴单元的电动机相同或不同的电动机。 
工件夹具30可旋转地支承在基座上，在大体平行于基座12的平面中围绕轴A2旋转。从而，轴A2被设定成相对于轴A1成一定角度，并且在水平方向上与轴A1分隔开。如图所示，轴A2大体垂直于基座12的平面，并且垂直于轴A1。轴A1和A2实际上不相交。轴间的距离被用于设定轮齿和磁铁之间的空气间隙G(图5)，如后所述。工件夹具30由电动机(未示出)以转速ωW旋转。工件夹具30适合于固定工件32，例如，工件32是齿轮。借助任何期望的装置，把工件32可拆卸地固定到工件夹具30上。例如，可借助机械装置、电磁装置、液压装置或气压装置，把工件32固定到工件夹具30上。 如图中所示，工件32可以是齿轮。工件齿轮32具有轮齿32a，轮齿32a具有前沿面和后沿面32b。 
可认识到，借助心轴单元22和滑动单元16的移动，工件26可沿着轴A1和轴A2二者(或平行于二者)，相对于齿轮或者说工件32移动。心轴单元22和滑动单元16的位置，连同移动速度VH和VV被控制为预定值。事实上，可以提供控制器来控制工件夹具30(从而控制工件32)的旋转，工具件26的旋转，滑动单元16的水平移动，和心轴单元22的垂直移动。 
参见图2和3，工具件26包括磁体40。磁体40包括轴42和从轴42垂直伸出的圆盘44。轴42可以是心轴24的延长物。如果轴42与心轴24分离，那么设置连接件，以致心轴24的旋转将旋转驱动轴42。圆盘44和轴42是同心布置的。圆盘44包括内部部分46和从内部部分46的径向外缘径向延伸的保持架48。内部部分46具有正面和背面50，正面和背面50都包括从轴42伸出的内部部分50a和倾斜部分50b。正面和背面50的倾斜部分朝着彼此倾斜，以致圆盘44厚度减小。 
保持架48由从圆盘内部部分46的边缘向外径向延伸的多个梯形分隔物52构成。分隔物具有倾斜的侧面，其斜度与圆盘内部部分46的倾斜部分50b，或者与沿着倾斜部分50b的位置的斜度对应。换句话说，分隔物的侧面本质上是圆盘内部部分46的倾斜面50b的延续。环状围栏54围绕分隔物52延伸。分隔物52和围栏54结合地限定多个型腔56。大体呈梯形的永磁铁58被嵌入，或者以其它方式紧闭在每个型腔56中。如图3中所示，磁铁具有锥形外表面58a，b，锥形外表面58a，b之一定义磁铁的北极，锥形外表面58a，b中的另一个定义磁铁的南极。磁铁被排列成以致磁极交替，如图3和4中所示。从而，如图中所示，使磁极大体从圆盘向着外部。尽管附图表示单个磁铁58定义磁极，并且相邻磁铁的磁极交替，不过磁极也可由一组磁铁定义。例如，磁极可由两个或三个相邻的磁铁定义。这种情况下，由各组磁铁定义的磁极随后应是交替的。 
在加热操作中，工件(例如齿轮)32由工件夹具30以速度ωW绕轴A2旋转驱动；磁体40由心轴单元22以速度ωt绕轴A1旋转驱动。在磁体40旋转的时候，借助心轴单元22和滑动单元16沿着它们各自的导向装置的移动，使磁体40以速度VH和VV沿着轴A1和平行于轴A2移动。(由滑动单元16和心轴单元22限定的)水平平面和垂直平面中的磁体40的旋转和磁体40的 移动都可以连续地，或者以步进的方式进行。磁体40以速率ωt的旋转运动产生变动磁场，从而是主运动。工件32的速率为ωW的旋转运动，及心轴单元22和滑动单元16的速率为VH和VV的水平运动和垂直运动把工件32的新表面带进加热区或加热带中，从而被称为进给运动。主运动的速率(即，ωt的值)由工件32的所需硬化性质确定；进给运动的速率(即，ωW，VH和VV的值)由工件的几何形状，以及工件的所需硬化性质确定。 
参考图1b，旋转磁体40在垂直平面和水平平面中的运动，和齿轮32的旋转运动把齿轮的新表面32b带进在磁体40和齿轮齿面32b之间的间隙G附近的加热带或加热区H中(图5)。从而，例如，在把齿轮32安装在工件夹具30上的情况下，借助心轴单元22沿着导向装置20的移动，可以降低(或者升高)磁体40，从而使磁体40与齿轮的齿面形成加热关系，如图1b中所示。已知通过在齿面32b之间旋转磁体40，和通过沿着齿宽移动磁体(如果需要的话)，齿面会被加热。当这两个齿面已被热处理时，能够在垂直平面中移动心轴单元22(从而移动磁体40)，以把磁体40移动到加热带H之外。随后可旋转齿轮32，以使两个新齿面与磁体对准。随后可降低磁体40，以使磁体与所述两个新齿面形成邻近加热。可继续该过程，直到所有齿面都被热处理为止。这描述了步进进给运动。 
齿轮表面和磁体40之间的距离由轴A1和A2之间的距离确定。尽管图1a中未示出，不过可以形成第三导向装置，以使磁体能够沿垂直于轴A1和A2的第三条轴移动。这便于改变轴A1和A2之间的距离，从而改变磁体40和待热处理表面之间的间隙。还便于使用确定直径的磁体热处理范围更宽的齿轮直径。 
为了加热正齿轮齿面，使工件的旋转运动(速率ωt)和磁体40的水平运动(速率VH)同步或协调，以建立共轭运动，类似于齿条和小齿轮的啮合。这种共轭运动沿着齿根面扫描或掠过齿轮齿面32b，从而把新表面送入感应加热带。磁体的垂直运动(速率VV)沿着齿宽扫描(或掠过)齿轮齿面32b。即，使磁体40从齿轮的一个表面穿过齿宽移动到齿轮的相反面(即，就图4来说，从左到右，或者从右到左)。这把未加热的表面带入加热带H中(图5)。可以想像在这种情况下，进给运动(工件的旋转运动和磁体的水平运动)是连续的，磁体的垂直进给运动是步进的。 
对斜齿轮来说，用分度设备(未示出)使轴A1倾斜，VH由两个分量构成： 连续分量VH1和步进分量VH2。连续分量VH1与ωW同步，从而在磁体40和齿轮32之间建立共轭运动；步进分量VH2与VV同步，从而产生螺旋运动。可同样处理蜗轮。不过，对蜗轮来说，需要使蜗轮围绕与轴A1平行的轴旋转。 
尽管关于磁体40的运动，说明了磁体的垂直和水平进给运动(速率为VH和VV)(通过移动滑动单元和心轴单元)，不过通过沿水平轴和垂直轴移动工件夹具30(从而移动工件32)，可产生垂直和水平进给运动。在这种情况下，所有的进给运动会涉及齿轮32相对于磁体40的移动，磁体40会在x，y，z坐标系中的固定位置旋转。如上结合心轴单元和滑动单元的移动所述，设备10可被构造成使得能够沿三个轴移动工件夹具30(从而移动工件32)。 
在上面说明的例证实施例中，借助磁体的沿着齿根面和齿宽的扫描(或掠过)，热处理整个齿轮齿面，如图4和5中所示。优点在于可以使用相同的工具件(即，磁体)加热具有同样啮合角的各种模件的齿轮。这将节省小批量生产的加工成本。另一方面，圆盘46的锥形表面50b，以及磁铁的锥形或倾斜侧面(它们定义磁铁的北极和南极)可被仿形加工，以模仿齿轮齿隙轮廓，如图5中所示。这种情况下，水平进给运动VH不是必需的，磁体沿着齿宽扫描齿轮齿面。 

Claims (10)

1.一种借助磁感应加热，热处理轮齿(32a)的设备(10)；所述设备包括：
磁体(40)；所述磁体包括圆盘(44)，圆盘(44)具有围绕所述圆盘的圆周布置的多个永磁铁(58)或多组磁铁；所述多个永磁铁或多组磁铁具有限定所述多个永磁铁或一组磁铁的北极和南极的相反外表面(58a，b)；所述多个永磁铁或多组磁铁磁极交替地环绕所述圆盘排列；所述磁体(40)与第一轴(A1)同心，并且可绕所述第一轴(A1)旋转；所述磁体可在第一平面中旋转；
心轴传动装置(22)，所述心轴传动装置(22)操作上与所述磁体(40)连接，以在所述第一平面中绕所述第一轴(A1)旋转所述磁体；
工件夹具(30)，所述工件夹具(30)适合于可拆卸地固定具有待热处理的齿面(32b)的齿轮(32)；所述工件夹具与第二轴(A2)同心，并可绕所述第二轴(A2)旋转；所述第一轴(A1)与所述第二轴(A2)分隔开；
工件传动装置，所述工件传动装置操作上与所述工件夹具连接，以在第二平面中绕所述第二轴旋转所述齿轮(32)；和
使所述磁体(40)和／或工件夹具(30)相对于彼此移动的装置(16，22)，从而使所述磁体和齿轮齿面相互形成邻近加热；以致所述磁体的旋转引起所述齿轮齿面的加热。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述工件夹具(30)可在第二平面中旋转；所述第二平面与所述第一平面相交。
3.如权利要求1所述的设备，包括基座(12)；用于移动的所述装置(16，22)包括可平行于所述第一轴(A1)，沿着所述基座移动的滑动块(16)，和可平行于所述第二轴(A2)，相对于所述滑动块移动的心轴块(22)；所述磁体(40)可旋转地安装到所述心轴块(22)上。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述磁体的圆盘(44)包括内部部分(46)，和从内部部分的径向外表面径向延伸的保持架(48)；
所述内部部分(46)具有正面和背面(50)；所述正面和背面都具有内部部分(50a)和倾斜的外部部分(50b)；倾斜的外部部分(50b)朝着彼此倾斜，以致所述圆盘(44)厚度减小；
所述保持架(48)包括从所述内部部分(50)的所述径向外表面径向向外延伸的多个梯形分隔物(52)，和环绕所述分隔物延伸的环状围栏(54)；所述分隔物和围栏结合地限定多个型腔(56)，所述多个永磁铁(58)或多组磁铁安放在所述型腔中。
5.一种热处理具有轮齿(32a)的齿轮(32)的方法；所述方法包括：
(a)可拆卸地把所述齿轮(32)安装在工件夹具(30)上；
(b)移动磁体(40)和所述工件夹具(30)中的任一个，使所述齿轮(32)和所述磁体(40)形成邻近加热；所述磁体(40)包括圆盘(44)，圆盘(44)具有圆周面，和从所述圆周面延伸出的多个永磁铁(58)或多组磁铁；所述多个永磁铁或多组磁铁具有限定北极和南极的相反表面(58a，b)；所述多个永磁铁(58)或多组磁铁磁极交替地环绕所述圆盘(44)排列；所述移动所述磁体(40)和所述工件夹具(30)之一的步骤包括相对于彼此布置所述磁体(40)和所述工件夹具(30)，以致所述磁体的所述多个永磁铁或多组磁铁的所述相反表面(58a，b)面向待处理的所述轮齿(32a)的表面(32b)；
(c)在所述磁体(40)和齿轮(32)相互形成邻近加热的时候，使所述磁体(40)旋转期望的时间量，从而热处理与所述磁体形成邻近加热的所述轮齿(32a)的表面(32b)；
(d)相对于所述磁体(40)和所述工件夹具(30)中的任一个，移动所述磁体(40)和所述工件夹具(30)中的另一个，从而使所述齿轮(32)的不同表面与所述磁体(40)形成邻近加热；和
(e)对每对相对的齿轮齿面(32b)重复步骤(b)-(d)，直到热处理了所有所述齿轮齿面为止。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述步骤(d)包括相对于所述磁体和所述工件夹具(30)中的一个，移动所述磁体和所述工件夹具(30)中的另一个，以分离所述磁体和所述齿轮，以致所述磁体和齿轮不再相互形成邻近加热；旋转所述工件夹具(30)，以把未被处理的齿轮齿面(32b)带到待加热的位置；随后相对于所述磁体和所述工件夹具(30)中的一个，移动所述磁体和所述工件夹具(30)中的另一个，以使所述齿轮的不同表面与所述磁体形成邻近加热。
7.如权利要求5所述的方法，其中步骤(b)和(d)的所述移动步骤包括相对于所述工件夹具(30)移动所述磁体(40)。
8.如权利要求7所述的方法，其中移动所述磁体(40)的所述步骤包括在垂直平面中移动所述磁体。
9.如权利要求7所述的方法，其中使所述磁体(40)往复地连续移动经过所述齿轮齿面(32b)；以便于按期望量热处理所述齿轮齿面的速率，移动所述磁体。
10.如权利要求9所述的方法，其中步进地旋转所述工件夹具(30)，当所述磁体(40)与所述齿轮(32)脱离邻近加热关系时，旋转所述工件夹具，以把未处理的齿轮齿面移动到所述磁体的路线上，从而热处理所述齿轮齿面。
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