CN104271776A - 用于对环状表面进行感应表面淬火硬化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对工件(2)的环状表面(1)进行感应表面淬火硬化的方法，该环状表面(1)和具有电感器(9)的淬火硬化装置(7)在馈进模式下沿着处理方向(B)彼此相对地运动。当沿着处理方向(B)看时，喷水器(10)被设置在所述电感器(9)的下游，并借助于所述电感器(9)从初始区(3)到结束区(4)加热所述环状表面(1)，并且随后借助于所述喷水器(10)通过冷却该环状表面而对其进行淬火硬化，未淬火硬化的滑移区(5)被设置在所述初始区(3)和所述结束区(4)之间。根据本发明，该辅助电感器、电感器以及喷水器分别在淬火硬化流程的起始和结束时刻各自独立地被激活或停用，淬火硬化装置(7)和工件之间的(相对)速度和/或提供给该辅助电感器(8)和电感器(9)的功率在同一时刻可以被改变。

Description

用于对环状表面进行感应表面淬火硬化的方法

本发明涉及用于对工件的环状表面进行感应表面淬火硬化的方法，尤其是轴承圈的工作表面；在馈进模式下，该环状表面和具有电感器的淬火硬化装置沿着处理方向彼此相对运动；当沿着处理方向看时，喷水器被设置于该电感器的下游，以便通过该电感器从初始区到结束区加热该环状表面，以及随后借助于喷水器通过冷却方式来硬化该环状表面，介于该初始区和结束区之间设置有未被淬火硬化的滑移区。

在通过局部加热和随后的淬火对闭合曲线轨迹形式的环状表面进行硬化的过程中，存在如下问题，即已经硬化的区域一定不能被再次加热到使得硬化特性又丧失的温度。在环状表面的情况下，未硬化的滑移区，例如其具有介于10毫米和20毫米之间的宽度，因而该滑移区被设置在硬化开始的初始区和硬化终止的结束区之间。在滚动轴承的情况下，已知的(方法)是铲磨该滑移区从而使得滚动体在那里不具有轴承接触。还必须考虑到，该初始区和结束区呈现为在该表面上的关于硬化的有效深度和硬度的过渡区域，因为这两个参数沿着滑移区方向分别减小。另一方面，由于淬火硬化装置和工件之间的匀速地运动以及也由于恒定的参数，在初始区和结束区之间的硬化区域，其硬度均匀性得以实现。除了淬火硬化装置和环状表面之间的速度，硬化结果也能够通过电感器的功率输出和频率、通过喷水器输送的冷却剂的量和温度，以及通过控制任何可能提供的预加热进行设置。

对于那些从实践中已知的具有电感器进行感应表面淬火硬化的方法，在用于连续淬火硬化的参数(的控制下)，淬火硬化装置在初始区被激活并且在结束区被停用。

文献DE 10 2005006701 B3、DE10 2006003014 B1和DE102008033735 A1披露了用于对工件的环状表面进行感应表面淬火硬化的方法。在该方法中，通过使用两个电感器，滑移区可以被避免产生或者被减小了，这两个电感器从初始区相互反方向地运动。在此情况下，初始区能够被完全硬化，这是因为均匀的加热或者至少大部分均匀的加热能够通过两个电感器来实现。该两个电感器随后被相互反方向地移动并且最终在结束区相聚在一起，该结束区位于环状表面上与该初始区相对的一侧。当两个电感器从两侧相互靠近时，结束区也仅仅被加热一次。由于这两个电感器不能被不受限制地彼此接近，结束区可以由辅助电感器事先预热。所描述的方法的缺点是，尤其是在大尺寸的滚动轴承的情况下，具有反方向运动的电感器的淬火硬化装置需要相当高的费用。

本发明是基于提供具有最初描述的特征的方法这一目标，其中由于在初始区和结束区的减小的硬度，环状表面的缺陷就不太明显了。

在根据本发明权利要求1前序部分的方法的基础上，根据本发明的目标通过提供下述顺序的步骤被实现了。辅助电感器被用作预加热器并且作为淬火硬化装置的组成部件被设置在处理方向的上游，当该电感器和喷水器处于非激活状态时，其被施加交流电流；在辅助电感器处于激活状态并且电感器处于非激活状态以及喷水器处于非激活状态下，淬火硬化装置以第一速度相对于工件被移动；在该辅助电感器仍处于激活状态但该喷水器处于非激活状态下，电感器被施加交流电流激活并且被设置了第二速度；在该电感器处于激活状态并且该辅助电感器处于激活状态下，该喷水器被激活并且设置第三速度；在电感器处于激活状态并且喷水器处于激活状态下，该辅助电感器被停用并且设置了第四速度，以及最后该电感器被停用。

本发明是据此实现的，在具有电感器的感应表面淬火硬化的情况下，未淬火硬化的滑移区是不可避免的，但是尽可能快地增加硬化的硬度和有效深度是能够通过变化地控制从滑移区开始的硬度参数来实现，例如速度、功率输出和喷水器的喷水量。初始区和结束区的硬度特性分别从未淬火硬化的滑移区开始变化直到获得基本上恒定的参数，并能够以这种方式持续时间尽可能得短。硬度参数在初始区、在多个步骤中被改变，也就是说，在硬化的起始时刻，以便实现硬度增加得尽可能地大。在此必须考虑的是，在开始淬火硬化之前，待硬化的环状表面最初是处在环境温度下的，基于这个原因，由作为预加热器的辅助电感器以及由主电感器输入的热量必须被增加或者运行速度必须被降低。从滑移区开始，尽可能陡峭的温度梯度可以被方便地设置，从而也实现了环状表面的硬化硬度和有效深度在尽可能短的路径上增长得尽可能陡峭。为了保持起初电感器由此产生的热量输入尽可能恒定并且也为了实现温度梯度在滑移区是尽可能陡峭的，硬度参数在朝着硬化操作结束的多个步骤中也是可以被改变的。

根据本发明，硬度参数随着时间的推移而被改变以便在硬化开始和硬化结束时实现硬化操作的最佳效果。为此目的，特别是所提供的功率输出、馈进速度和/或用于冷却的喷水量是被改变的。变化发生在多个步骤中，以此方式使得硬度参数随时间间隔或者也被涵盖在本发明范围内的在整个硬化操作中连续变化。前述所定义的在新阶段被分别设定的速度随后形成，因为它们是随时间连续变化的进展中的插补点(interpolation points)。

在本发明的范围内，淬火硬化装置和环状表面之间产生相对运动，所述速度是关于该淬火硬化装置和环状表面之间的相对速度。因此，例如移动工件的环状表面使其通过固定的淬火设备或者别的沿着具有静止状态的工件的待硬化的表面来移动淬火硬化装置是可能的。第一变型实施例已被证明是成功的，特别是在大型滚动轴承的工作表面的情况下，轴承圈被水平、垂直或者以某一角度设置并且借助于支承辊产生该轴承的运动是可能的。轴承圈的馈进方向随后与执行硬化操作的处理方向相反。

根据本发明，首先预加热器被激活，以便在初始区开始预加热环状表面。由于环状表面相对于用于硬化的温度来说最初是冷的，在辅助电感器刚刚被激活后，淬火硬化装置和环状表面最初可以保持静止状态，并因此其速度等于零。可替代地，在激活该辅助电感器后存在先设置负速度(negative speed)的可能性。在连续淬火操作过程中，环状表面和淬火硬化装置之间的相对运动随后发生，该淬火硬化装置与该运动是相反方向(运行的)。因此，辅助电感器和电感器可以由具有两个平行导体的导体回路形成。为了随后产生尽可能陡峭的温度梯度，环状表面和淬火硬化装置之间可以发生向后移动，该向后移动的路径对应于两个平行导体之间距离的一半。

在初始区的环状表面被最先预加热后，该环状表面被进一步转动，直到初始时刻被预加热的整个部分处于电感器的下方。在此情况下，邻接该最先(预加热)部分的环状表面的区域以第一速度被进一步地运动从而被同样地预加热。然后，该电感器通过施加的交流电流而被激活，以便使所述环状表面先前被预加热的区域达到用于淬火硬化的温度。在激活该辅助电感器之后以及激活电感器之前，所覆盖的路径方便地对应于这两个设备之间的距离。当激活电感器时设置的第二速度原则上可以等于第一速度。然而，最好设置较高的速度，以便允许加热已经发生加热(的区域)以及提供同步增加的功率输出。

为了最终将由电感器加热的环状表面进行淬火，并因此而硬化，沿运动方向上的电感器的下游设置的喷水器延迟(一段时间后)被激活。原则上，根据淬火硬化的起始阶段和最终阶段的要求，改变喷水量也属于在本发明的范围内，也就是供给到喷水器的冷却剂流的量。

随着喷水器被激活，设定了第三速度，然而优选地该第三速度等于第二速度。

在喷水器被激活后，用于淬火的基本恒定的条件被建立了并且被用于淬火硬化该环状表面的大部分，例如至少80％的环状表面。在设定基本上恒定值的过程中，也可以在恒定条件下选取用于淬火固化的进一步的最佳速度，这样的第五速度优选地大于所述第三速度。

此外或者作为改变速度的替代方式，电感器或者辅助电感器的电源输出也可以被改变，优选地，相比于其随后的时间间隔内的功率输出，(电感器或者辅助电感器)被激活后的时间间隔内的功率输出功率被增大。针对尚未获得相应于温度分布的恒定条件的情形，这样的在起始时刻时控地增加电源输出的做法是允许的。

在多个步骤中的硬度参数的变化也有意设置在结束区的区域内。因此，首先设置在沿着处理方向上游的辅助电感器被停用，以避免在滑移区的区域中进行不需要的加热。如前所述，在结束区形成尽可能陡峭的温度梯度，以便在淬火硬化区域和未淬火硬化区域之间形成相应陡峭的过渡区。当辅助电感器发生停用时，第四速度被设定，与先前描述的第五速度相比，该第四速度优选地被减小并且例如可以与第三速度相当。关于基本上连续的硬化操作，其速度的减小允许已经被冷却的滑移区又作为散热器(使用)，要求由辅助电感器输入所缺失的热量也可以得到一定程度的补偿。为了增加由电感器自身提供的热量，此外或者可替代地，该电感器的功率输出也可以被增加。如前所述，采用提供功率输出和改变速度的这两种措施，也可以在整个淬火硬化操作中以合适的方式组合使用。

最后，电感器也被停用，此时在辅助电感器停用和电感器停用之间所涵盖的路径大致相当于辅助电感器和电感器之间的距离。喷水器起初保持激活状态，以便能够淬灭由所述电感器最后加热的结束区。在该喷水器被停用后，具有硬化的环状表面的工件可以被从淬火硬化装置中移出。

在本发明的范围内，所述电感器和所述辅助电感器之间的区别涉及到这两个设备的不同功能，即预热和加热升温至淬火硬化的温度。所述电感器和所述辅助电感器在配置上可以是相似的或者甚至相同的。合适的方式，例如，具有相互平行的通过腿部被连接起来的两个导体所构成的导体回路。这样的导体回路被连接到交流发生器，并被运行在例如3kHz至8kHz之间的频率下。基于加热所需要的电流，该导体回路也可以是空心的并且有冷却介质流过(该导体回路)。

为了进行尽可能的精确控制，特别是在大型工件的情况下，例如大尺寸的滚动轴承的轴承圈，用于控制所述淬火硬化装置的参考点可以由在该环状表面上的标记和分配给该淬火硬化装置的传感器来确定。在此方式下，工件的任何尺寸偏差、该工件或者淬火硬化装置的驱动误差以及不同热膨胀对淬火硬化过程均无不利影响。

本发明基于附图描述如下，其仅仅代表示例性的实施方式，其中：

图1示出的环形工作表面区域包括用于感应表面淬火的硬化操作开始区和结束区，以及介于初始区和结束区之间的未硬化的滑移区；

图2示出了用于感应表面淬火硬化的设备；

图3以示例的方式示出了各种硬度参数随时间的变化的示意图；以及

图4a-4c示出了在硬化初始阶段不同时刻点的温度分布示意图。

图1实例性地示出了工件2的环状表面1的区域，例如轴承环的工作表面，未硬化的滑移区5保持在感应表面淬火硬化的初始区3和该感应表面淬火硬化的结束区4之间。可以看到在初始区3和结束区4中，沿着滑移区5方向的淬火硬化的有效深度和硬度分别减小了。

关于该环状表面1，滑移区5代表了(淬火硬化的)弱化区，并且可以例如被铲磨以便滚动体在那里不发生局部轴承接触。此外，然而很明显的是在初始区3和结束区4的区域内，表面硬度和硬化的有效深度也被减小，并且分别从未淬火硬化的滑移区5连续地增加。总体来说，如果不但该滑移区5是尽可能得短而且在该初始区3和结束区4内硬化的有效深度和表面硬度从该滑移区5开始尽可能快地增加到某个数值，该数值在其圆周上来说大致上是恒定的；则该环状表面的改进特性能够被实现。

为了实现这个目的，本发明提供了在硬化起始和结束时刻的多个步骤中具体设定的硬度参数。

图2示出了用于感应表面淬火硬化的设备，工件2被垂直地对准并支承在辊6上。通过驱动辊6，工件2的外侧环状表面1可以相对于固定的淬火硬化装置7移动，淬火硬化处理的处理方向B与工件2的馈进方向S相反。

淬火硬化装置7包括当沿着馈进方向S看时前后依次设置的用作预加热器的辅助电感器8、电感器9和喷水器10。在所呈现的示例性实施例中，该淬火硬化装置7还包括可选的传感器11，以便检测施加于工件2上的标记12，并由此控制淬火硬化操作。

图3以示例的方式示出了在硬化运行期间各种硬度参数随时间的变化。淬火硬化装置7和环状表面1之间的速度v、以交流电形式提供给辅助电感器8的功率输出P_H、以交流电形式提供给感应器的功率输出的P_I以及提供给所述喷水器10的冷却剂的流过量D被表征出来了。

首先，工件2以高的速度v₀进行转动，直到标记12由传感器11检测到。然后工件2以降低的速度v₀’仍然进一步地转动，直到第一阶段I的起始点，此时用作预加热器的电感器8被激活，并被施加功率输出P_H。在该第一阶段I，工件2保持静止。

在接下来的第二阶段II中，保持静止的辅助电感器8被激活，该环状表面1在第二阶段II中以第一速度v₁移动相当于所述辅助电感器8和电感器9之间的距离。

在第三阶段III起始时刻，电感器9随后被激活并被施加功率输出P_I，与此同时第二馈进v₂被设定。

在进一步的阶段IV，先前停用的喷水器10随后被施加预定流过量D的冷却剂。其用于冷却先前由辅助电感器8和电感器9加热升温的环状表面1，材料的变型以及表面淬火硬化将会发生。当喷水器被激活时，第三速度v₃被设置，然而其可以等于第二速度v₂。在逐步激活辅助电感器8、电感器9和喷水器10后，大致恒定的条件被建立起来，但是增加的第五馈进速度v₅在随后的第五阶段被设置。在第五阶段Ⅴ期间，该环状表面1的最大部分在基本上恒定的条件下被淬火硬化。

在淬火硬化操作的结束段也要提供若干步骤。因此，首先，在第六阶段VI的初始时刻，辅助电感器8被停用。与此同时，第四速度v₄被设置，在示例性的实施例中其可以被设置得相当于第一速度v₁。速度的降低使得对环状表面1的加热随后可以仅仅由电感器9执行而不再由辅助电感器8进行，由此，较低的能量输入由于相应降低的馈进而得到均衡。

最后，在第七阶段VII的起始时刻，电感器9也被停用。在此情况下，喷水器10最初保持激活状态并具有降低的流过量D'，以便冷却在结束区4中该环状表面1的最后被加热的区域。最后，在第八阶段VIII的起始时刻，该喷水器10也被完全停用，并由此该淬火硬化操作完全结束。

图4a至4c以示例的方式示出了在第一阶段I期间、在第三阶段III阶段的初始时刻以及在第五阶段V期间的温度分布图。在此情况下，温度进展是由等势线(即等温线)表征的。

根据图4a，作为预加热器的辅助电感器8实现局部加热，在第一阶段I期间工件2仍然保持静止。在第二阶段II期间，工件2随后沿馈进方向S运动，由此先前由辅助电感器8预热的区域处于该电感器9下。在第三阶段III的起始时刻，随后只有电感器9被激活，以便实现足够进行表面淬火硬化的温度(如图4b)。

最后图4c示出了在第五阶段V几乎恒定的条件下逐步进行的淬火硬化，由辅助电感器8连续预加热的环状表面1被移动通过淬火硬化装置7，被该电感器9加热达到表面硬化所必需的温度，以及最后被喷水器10淬火硬化。

Claims (9)

1.用于对工件(2)的环状表面(1)进行感应表面淬火硬化的方法，特别是轴承圈的工作表面，所述环状表面(1)和具有电感器(9)的淬火硬化装置(7)在馈进模式下沿着处理方向(B)彼此相对地运动，当沿着处理方向B看时，喷水器(10)被设置在所述电感器(9)的下游，以便借助于所述电感器(9)从初始区(3)到结束区(4)加热所述环状表面(1)，并且随后借助于所述喷水器(10)对其进行淬火硬化，未淬火硬化的滑移区(5)被设置在所述初始区(3)和所述结束区(4)之间，其特征在于，顺序地执行如下步骤：

a)辅助电感器(8)，作为所述淬火硬化装置(7)的组成部分，其被用作预加热器并且被设置沿着处理方向B上的所述电感器(9)的上游，当所述电感器(9)和所述喷水器(10)处于非激活状态时，其被施加交流电流；

b)在所述辅助电感器(8)处于激活状态并且所述电感器(9)处于非激活状态以及所述喷水器(10)也处于非激活状态时，所述淬火硬化装置(7)在处理方向B上以第一速度v₁相对于所述工件(2)移动；

c)在所述辅助电感器(8)仍然处于激活状态但所述喷水器(10)处于非激活状态时，通过施加交流电流，所述电感器(9)被激活并且被设置了第二速度v₂；

d)在所述电感器(9)处于激活状态并且所述辅助电感器(8)处于激活状态时，所述喷水器(10)被激活并且被设置了第三速度v₃；

e)在所述电感器(9)处于激活状态并且所述喷水器(10)处于激活状态时，所述辅助电感器(8)被停用并且被设置了第四速度v4；

f)所述电感器(9)被停用。

2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，在所述辅助电感器(8)刚刚被激活后，所述淬火硬化装置(7)和所述环状表面(1)保持静止状态。

3.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，在所述辅助电感器(8)刚刚被激活后，设定负速度。

4.根据权利要求1至3中任意一项的所述方法，其特征在于：所述第二速度v₂大于所述第一速度v₁。

5.根据权利要求1至4中任意一项的所述方法，其特征在于：所述第二速度v₂等于第三速度v₃。

6.根据权利要求1至5中任意一项的所述方法，其特征在于，在所述喷水器(10)被激活之后并且所述辅助电感器(8)被停用之前，大于第三速度v₃和第四速度v₄的第五速度v₅被设定。

7.根据权利要求1至6中任意一项的所述方法，其特征在于，所述电感器(9)的功率输出被改变，相比于其随后的时间间隔内的功率输出，所述电感器激活后的时间间隔内的功率输出被增大。

8.根据权利要求1至7中任意一项的所述方法，其特征在于，所述辅助电感器(8)的功率输出被改变，相比于其随后的时间间隔内的功率输出，所述辅助电感器激活后的时间间隔内的功率输出被增大。

9.根据权利要求1至8中任意一项的所述方法，其特征在于，用于控制所述淬火硬化装置(7)的参考点是由所述环状表面(1)上的标记(12)和被分配给所述淬火硬化装置(7)的传感器(11)确定。