CN103202097A - 通过旋转或往复运动磁力加热的孔加热和局部加热 - Google Patents

Abstract

一种用于加热表面的方法，包括通过将磁铁圆柱体插入到孔中并且使磁铁圆柱体旋转来加热孔的表面、通过将磁铁堆插入到孔中并且使磁铁堆往复运动来加热孔的表面、或者通过与工件表面的选定区域相邻地定位磁铁盘并且使磁铁盘旋转来加热选定区域。在每一种情况下都产生涡流来对表面进行感应加热。

Description

通过旋转或往复运动磁力加热的孔加热和局部加热

相关申请

本申请要求2010年10月11日提交的美国临时专利申请No. 61/391，816的权益，其全部内容据此通过引用并入。

背景技术

在产品的制造期间，经常需要将小孔诸如轴承部件中的油脂端口或孔加热以及将工件的选定表面区域加热，以对产品赋予期望的性能。在硬表面上有时需要局部加热，以使工具寿命最大化并提高生产率。局部加热也可以用来帮助以高费用防止渗碳。

小孔的表面和较大表面的选定区域可以通过感应加热来加热。然而，为了加热小孔，诸如轴承部件上的油脂端口或孔，通过感应加热是极其难以实现的。由于如果功率处于足以使涡流从感应器的一侧感应到另一侧的水平则可能发生短路的事实，使得供给感应器的功率受到限制。工件表面的选定区域的感应加热对于设计为加热在给定几何形状区域内局部化的线圈是可能的。在这样的应用中，由于在材料内产生的涡流而进行加热。还通过利用传导，对于所使用的给定频率获得较深的热渗透深度。对于感应所需的电源虽然功率输出低，但是成本高昂。

局部加热表面的选定区域也可以通过火焰加热来完成，其中火焰由喷嘴引导。在火焰加热中，材料通过随着材料厚度增加而具有显著较慢加热速率的传导来加热。火焰加热需要燃料源，并且会产生温室气体。需要通风来改善潜在的人员安全问题。

发明内容

旋转磁力加热（RMH）通过使用更经济且更安全的装置，对用于局部加热和孔加热的现有技术方法进行了改进。与常规感应电源相比，RMH能够在更宽的范围上更容易地改变频率。然而，与感应加热相同，RMH产生涡流，从而不需要可变频率的电源。RMH比火焰加热更安全并且更环保。在渗碳时，热处理后将被加工的区域可以涂上涂料，以防止碳扩散并保持柔软。该涂料必须手动地涂覆，从而增加了成本。

RMH可以用于孔的表面的硬化、回火或其他热处理。为了通过RMH完成孔加热，可以将布置为圆柱体并且磁极交变的磁铁放置在孔内并且通过驱动器使其旋转。由于小孔的高强度尺寸比，使得小孔的内径可以被加热，并且从而进行热处理。在局部加热时，磁铁环状地布置，并且通过期望位置上方或与期望位置相邻的主轴而旋转。

通过使磁铁以高的每分钟转数旋转，从而利用紧密靠近旋转磁铁放置的铁磁性或顺磁性材料产生涡流。由涡流产生的热量足以将材料退火到适于加工的硬度。对于恒定的加热时间，由主轴的（并且因此由磁铁的）旋转速度来确定涡流的渗透深度。以较低转速产生适于深层渗透的频率，而以较高转速产生适于浅层渗透的频率。

作为用于对孔的表面进行热处理的RMH的替代，限定交变极性区域的磁铁堆或层叠体可以在孔内平移地往复运动或振动，以产生涡流，从而对孔的表面进行硬化、回火或以其他方式进行热处理。

附图说明

图1是用于加热孔的表面的加热装置的示意图；

图2和图3是图1的设备的磁铁圆柱体的示意侧视图和平面图，示出了磁铁圆柱体的磁铁的朝向；

图4是用于加热工件表面的选定区域的加热装置的示意图；

图5是用于与图4的设备一起使用的磁铁盘的示意俯视图，示出了磁铁盘的磁铁的朝向；以及

图6和图7是磁铁堆平移地往复运动以加热孔的表面的示意剖视图。

在附图的所有几幅图中将使用对应的参考标记。

具体实施方式

下文的详细描述通过举例方式而非限制方式例示本发明。本描述将使本领域的技术人员能够清楚地实现和使用本发明，并且描述了本发明的几个实施例、改编、变形、替代和使用，包括申请人目前认为是实施本发明的最佳方式的那些。此外，应该理解，本发明在其应用方面并不限于在下文的描述中阐述的或在附图中示出的部件的构成和布置细节。本发明可以具有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。并且，应当理解，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该视为限制性的。

图1示意地示出了用来加热孔H的表面HS的加热设备10。加热设备10包括安装到轴14的底部的磁铁圆柱体12，轴14继而连接到驱动器16。驱动器16可以是电动马达或能够对轴14和磁铁圆柱体12赋予旋转运动的任何其他类型的驱动器。如图2和图3所示，磁铁圆柱体12由多个细长永久磁铁M组成，每个磁铁M都具有北极N和南极S。磁铁M构造为磁铁的磁极侧形成具有期望轴向长度的圆柱体，优选地，磁铁M具有大体上等于孔的深度（或孔表面待被加热到的深度）的长度。另外，磁铁M在圆柱体12中定位为磁极交变，从而限定交变极性区域。因此，如图2所示，磁铁圆柱体12的侧面呈现交变磁极的细长磁铁表面。

磁铁M优选地是稀土永久磁铁，能够提供大于1特斯拉的连续磁通量密度。所示实施例使用大约1.2T以及大约华氏540度居里温度的钕-铁-硼（NdFeB）磁铁，但是也可以使用其它适当的稀土磁铁。在替代实施例中，可以将陶瓷磁铁交替地定位在每两个钕铁硼磁铁之间。钕铁硼磁铁的朝向将是恒定的。陶瓷磁铁可以被电激活以产生极性与钕铁硼磁铁相反的磁场。在其它实施例中，磁铁圆柱体12可以通过以具有期望尺寸和形状的未磁化圆柱体开始并且将其磁化为具有期望磁特性（即，期望的交变极性区域）来形成，例如通过使用磁铁M实现的那些磁特性。当在本文和所附权利要求中使用时，术语“磁铁圆柱体”既包括由多个单独磁铁制成的圆柱体，又包括磁化为具有期望磁特性的圆柱体。

图4示意地示出了用于加热工件W的表面WS的选定区域的加热设备20。加热设备20包括安装到轴24的底部的磁铁盘22，轴24继而连接到驱动器26。驱动器26可以是电动马达或能够对轴24和磁铁圆柱体22赋予旋转运动的任何其他类型的驱动器。如图5中所示，磁铁盘22由多个细长永久磁铁M组成，每个磁铁都具有北极N和南极S。磁铁具有足以限定具有期望直径的圆的长度。较小长度的磁铁将产生较小的盘，因此将加热比较长磁铁小的区域。磁铁M构造为磁铁的磁极侧形成磁铁盘22的下表面。另外，磁铁M在盘22中定位为磁极交变，从而限定交变极性的区域。因此，如图5所示，磁铁盘22的底面呈现限定所述盘的磁铁表面，相邻磁铁的表面具有不同的磁极。在其它实施例中，磁铁盘22可以通过以具有期望尺寸和形状的未磁化盘开始并且将其磁化为具有期望磁特性来形成（即，期望的交变极性区域），例如通过使用磁铁M实现的那些磁特性。当在本文和所附权利要求中使用时，术语“磁铁盘”既包括由多个单独磁铁制成的盘，又包括磁化为具有期望磁特性的盘。

在操作中，为了加热孔表面HS，磁铁圆柱体12具有比孔的直径略小的直径，以便孔表面HS将处于由磁铁M产生的磁场内。相似地，为了局部加热工件表面WS的区域，将磁铁盘22定位在待被加热的表面WS的区域附近，其中盘22的底面面对表面WS。盘22定位为在盘22和工件表面WS之间具有间隙，但工件表面处于由盘22的磁铁M产生的磁场内。在任一种设备中，磁铁圆柱体12或盘22通过驱动器16、26而旋转。磁铁M的旋转产生对表面HS、WS进行加热的涡流。对于给定量的加热时间，加热的渗透深度取决于涡流的频率。频率继而取决于圆柱体12或盘22中的磁极数量以及圆柱体12或盘22的转速。

把频率（Hz）、磁极数量（nP）和转速（RPM）作成等式的公式表示为Hz =（nP * RPM）/ 60。因子60是为了将RPM转换为转数每秒（RPS），从而产生与来自电源的电流的频率相似的频率。频率与磁极数量和转速成正比。因此，如果减小磁铁圆柱体12或磁铁盘22的转速，则通过增加磁极数量能够实现相同的频率。

在RMH中，即使使用速度通常限制为每分钟几千转的低成本商品工业电动马达或其它驱动系统，也产生高的磁通量频率。磁铁M的旋转在紧密靠近工具件放置的铁磁性或顺磁性材料内产生涡流。随着旋转速度增加，而加热逐渐更浅的区域。在局部表面加热的情况下，由涡流在材料内产生的热量足以使材料退火到适于加工的硬度。在一些应用中，加热对于硬化孔或工件的表面可以是有用的。工件的感应加热可用来实现工件的奥氏体范围内的温度，从而在淬火后通过微结构转变而产生工件的硬化。这种硬化在保护螺纹或提高孔表面中的磨损特性方面可能是有用的。

图6和图7示意地示出了用来加热的孔H的表面HS的加热设备30。加热设备30包括安装在轴34上的永久磁铁32的堆或层叠体，轴34继而连接到驱动器36。驱动器36可以是线性致动器（例如螺线管等）或能够对轴34和磁铁堆32赋予平移往复运动或振动的任何其他类型的驱动器（例如齿条小齿轮装置、凸轮/从动件装置等）。如在图6和图7中所示，磁铁堆32由多个环状的盘形永久磁铁M组成，每个磁铁M都具有北极N和南极S。磁铁M构造为一个磁铁的北极面对磁铁堆32中的相邻磁铁的北极。同样，一个磁铁的南极面对磁铁堆32中的相邻磁铁的南极。换句话说，磁铁的磁性相反的磁极侧彼此面对，从而产生交变极性区域并且产生倾向于互相排斥的磁铁M。磁铁M利用适当的固定部件组装在磁铁堆32中，以将排斥的磁铁M保持在一起。在图示的实施例中，提供止动件构件38以在轴34上的磁铁堆32中将磁铁M固定在一起，从而形成具有期望轴向长度的圆柱体。在其它实施例中，磁铁堆32可以通过以具有期望尺寸和形状的未磁化构件或圆柱体开始并且将其磁化为具有期望磁特性（即，期望的交变极性区域）来形成，例如通过使用磁铁M实现的那些磁特性。当在本文和所附权利要求中使用时，术语“磁铁堆”既包括由多个单独磁铁制成的堆，又包括磁化为具有期望磁特性的堆。

优选地，磁铁堆32具有大于通孔H的深度（或者孔表面待被加热到的深度）的轴向长度。如图6和图7中所示，孔H是通孔，并且磁铁堆32具有大于或等于通孔H的深度的三倍的轴向长度。在其它实施例中，该孔可以是盲孔，可以通过磁铁堆32的振动来进行热处理，以便能够对孔表面HS的与孔的开口端部相邻的至少一部分进行热处理。

在操作中，为了使用加热设备30加热孔表面HS，磁铁堆32具有比孔H的直径略小的外径，以便孔表面HS将处于由磁铁M产生的磁场内。磁铁堆32通过驱动器36而沿着孔的轴线在图6和图7中所示的位置之间平移地往复运动或振动。磁铁M的往复平移或振动产生加热表面HS的涡流。对于给定的加热时间，加热的渗透深度取决于涡流的频率。频率继而取决于磁极数量和磁铁堆32的往复运动或振动的速率。对于给定量的加热时间，为了加热至较深的深度，可以使用较低的往复运动速率，而较高的往复运动速率可以用来加热至较浅的深度。

在图6和图7所示的实施例中，孔H具有大约0.455英寸的直径，并且磁铁堆32包括28个N42牌号的环形磁铁M。环形磁铁M具有大约0.375英寸的外径、大约0.125英寸的内径以及大约0.0625英寸的厚度。这样对于磁铁堆32沿着单个方向的每一英寸的行进产生8个周期，并且对于每个一英寸运动（向上和向下）的冲程产生16个周期。因此每分钟3,000 个冲程的示例性速率将产生每分钟48,000个周期或者每秒钟800个周期。在其它实施例中，具体的环形磁铁M、冲程行程以及往复运动速率可以改变来满足具体的应用。

由于在不脱离本发明范围的情况下，在上述构成中可以作出各种改变，所以上文描述中所包含的或附图中所示的所有内容旨在解释为例示性的而非限制性的意义。本发明的各特征在所附权利要求中阐述。

Claims (23)

1.一种用于加热孔的表面的方法，该方法包括：

将磁铁圆柱体插入到所述孔中，所述磁铁圆柱体限定交变极性区域，并且具有尺寸确定为当被接纳在所述孔中时所述磁铁圆柱体的磁场将延伸到所述孔的表面的直径；以及

使所述磁铁圆柱体以期望转速旋转以产生涡流，所述涡流对所述表面进行感应加热。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁铁圆柱体由已经被磁化以限定所述交变极性区域的圆柱体形成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁铁圆柱体由多个细长磁铁组成，每个磁铁具有北极和南极，所述磁铁构造为磁铁的磁极侧形成具有期望轴向长度的圆柱体，并且其中所述磁铁在所述圆柱体中定位为所述磁极交变。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁铁圆柱体具有大体上等于所述孔的深度的长度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁铁圆柱体具有等于孔表面待被加热到的深度的长度。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括控制所述涡流的频率以控制所述表面被加热到的深度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中控制所述涡流的频率包括选择用于所述磁铁圆柱体的磁极的数量，并且使所述磁铁圆柱体以期望速率旋转。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括使所述磁铁圆柱体以高转速旋转以产生所述表面的浅层加热以及以低转速旋转以产生所述表面的深层加热。

9.一种用于局部加热工件表面的选定区域的方法，该方法包括：

与所述选定区域相邻地定位磁铁盘，所述磁铁盘限定交变极性区域，并且定位为距所述选定区域一定距离以便所述磁铁盘的磁场延伸到所述表面的区域；以及

使所述磁铁盘以期望转速旋转以产生涡流，所述涡流对所述表面进行感应加热。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述磁铁盘由已经被磁化以限定所述交变极性区域的盘形成。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述磁铁盘由多个细长永久磁铁形成，每个磁铁具有北极和南极，所述磁铁具有足以限定具有期望直径的圆的长度，所述磁铁构造为所述磁铁的磁极侧形成所述磁铁盘的下表面，所述磁铁在所述盘中定位为所述磁极交变。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括改变所述盘的转速以控制加热的深度。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括以较低转速驱动所述盘以加热较深深度的材料以及以较高转速驱动所述盘以加热较浅深度的材料。

14.一种用于加热孔的表面的方法，该方法包括：

将磁铁堆至少部分地插入到所述孔中，所述磁铁堆限定交变极性区域，并且具有尺寸确定为当被接纳在所述孔中时所述磁铁堆的磁场将延伸到所述孔的表面的直径；以及

使所述磁铁堆以期望速率沿着所述孔的轴线平移地往复运动，以产生涡流，所述涡流对所述表面进行感应加热。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁铁堆由已经被磁化以限定所述交变极性区域的构件形成。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述磁铁堆由多个磁铁形成，每个磁铁具有北极和南极，所述磁铁堆叠为所述磁铁的磁性相反的磁极侧彼此面对。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述磁铁堆由多个环状的盘形磁铁形成。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述孔是通孔，并且其中所述磁铁堆具有大于所述通孔的深度的轴向长度。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述磁铁堆具有大于或等于所述通孔的深度的三倍的轴向长度。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括控制所述涡流的频率以控制所述表面被加热到的深度。

21.根据权利要求20所述的方法，其中控制所述涡流的频率包括选择用于所述磁铁堆的磁极的数量，并且使所述磁铁堆以期望速率往复运动。

22.根据权利要求14所述的方法，还包括改变所述磁铁堆的往复运动速率以控制加热的深度。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括以较低往复运动速率驱动所述磁铁堆以加热较深深度的材料以及以较高往复运动速率驱动所述磁铁堆以加热较浅深度的材料。

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