CN105324496A - 用于复杂工件的单发感应加热的感应器 - Google Patents

用于复杂工件的单发感应加热的感应器 Download PDF

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Abstract

提供单发感应器以感应热处理复杂工件，该复杂工件具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件。该单发感应器具有单个交叉感应器区段，其连接至两个纵向感应器区段的第一端，其中该两个纵向支柱感应器区段的第二端连接至环感应器区段，其在复杂工件被装载在用于感应加热应用的单发单匝感应器中时，围绕该至少圆柱形组件的整个圆周。可选地，该单发感应器可具有在两个纵向支柱感应器区段之间互连的两个环感应器区段，其中支柱区段中的一个可以接受交流电的供应。

Description

用于复杂工件的单发感应加热的感应器
相关申请的交叉引用
本申请主张2013年6月22日申请的美国临时申请案第61/838,249号的权益。
技术领域
本申请涉及复杂工件的电感应单发热处理，该复杂工件具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合并且在一个末端处连接至具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的该圆形组件。
背景技术
直圆柱状(诸如实心或中空的轴)的工件可经冶金热处理(硬化)以承受施加至所要应用中的工件的力。例如，工件可以是各种圆柱形的汽车组件，其经过冶金硬化用于机动车辆动力系统中。
更复杂的工件通过组合具有不同直径、圆角、肩部、孔以及其它几何不规则性的多个圆柱形组件形成。HandbookofInductionHeating(ValeryRudnev等人，2003年，MarcelDekker,Inc.,NewYork,NY)中的图5.28(左侧图)和图5.36绘示了这种复杂几何形状的示例。图1(a)绘示了复杂工件的另一个实施例。一般而言，这些复杂工件可特征化为具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合，并在一个末端处连接至具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的该圆形组件，并且为了方便起见，这种工件在本文中称为“复杂工件”。例如，对于图1(a)中示出的复杂工件90，虚线框90a内的工件组件是至少部分圆柱形组件，并且虚线框90b内的工件组件是具有的直径比该至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件，并且这两个工件区域定向为使得该至少部分圆柱形组件90a具有的中心轴CL与圆形组件90b的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的外直径d2比该至少部分圆柱形组件90a的外直径d1大的该圆形组件90b。
电感应加热用于多种加热处理程序中，诸如退火、正火、表面(外壳)硬化、穿透硬化、回火及应力消除。感应加热的最流行的应用之一是钢、铸铁以及粉末冶金组件的硬化。在一些情况中，需要对整个工件热处理，然而，在其它情况中，只需要热处理工件的选定区域。
典型的感应硬化程序涉及加热需要被强化至奥氏体化(austenitizing)温度的工件或工件的区域；使工件或区域保持(若需要)在奥氏体化温度下足够时间周期以完成奥氏体化，然后，迅速冷却工件或区域至低于需要的马氏体(martensitic)结构开始形成的温度。迅速冷却或淬火允许由剪切型转换取代依赖扩散的转换程序，其形成更硬的成分(称为马氏体)。马氏体可形成并且硬化可以在工件表面或区域上或贯穿工件或区域的整个截面上完成。工件出于不同的原因被感应硬化。例如，硬化可被完成以增加抗扭强度和/或抗扭疲劳寿命，以延长弯曲强度和/或弯曲疲劳寿命，或提高耐磨性或接触强度。
各种类型的加热感应器可用于感应硬化圆柱形或复杂工件。由于工件的感应加热取决于与工件的区域耦合的磁通以感应工件中的涡流加热，因此利用典型的感应线圈配置很难获取复杂几何区域(诸如相邻圆柱形组件之间的圆角)内的均匀感应加热处理。感应加热程序由热渗透入工件的内部是向内感应涡流加热及随后从涡流区域(由感应电流渗透的深度控制)向工件的中心区域传导(该传导加热程序在本领域中称为热“浸”)热两者的结合的事实而进一步被复杂化。
感应器的配置取决于特定应用的参数，其包括工件的几何形状、被加热材料的组成、感应器安装的可用空间、加热模式(例如，扫描、单发、渐进或静态加热模式)、工件生产率、所需加热型样以及工件处理的细节(即，如何装载及卸载工件)。
用于感应硬化的感应器通常因铜的高导电性和导热性、其固有的抗腐蚀性和优异的冷加工性和热加工性而由铜或铜合金制成。
通道型(也称为单发或槽)感应器是最适于圆柱形和复杂工件的穿透及表面硬化的一种类型的感应器。使用通道感应器，工件及感应线圈都不相对彼此移动，除了该工件可能旋转之外。通道感应器可以是单匝或多匝感应器。多匝通道感应器通常用于例如在物件锻造程序中热成型之前穿透加热小钢环或钢条的末端。单匝通道感应器通常用于感应硬化圆柱形或复杂组件，其代表性地在感应加热手册(HandbookofInductionHeating)中的图5.28(右侧图)和图5.36示出。单匝通道感应器的典型应用是硬化碳钢轴(诸如输出轴、凸缘轴、轭轴、中间轴及驱动轴)的硬化。
单匝通道感应器由两个纵向支柱和两个交叉区段(也称为桥或马蹄铁型半环)组成。交叉区段不环绕将被加热的工件的整个圆周，而通常仅环绕圆周的一半的部分。当工具的纵向区域需要被加热时，感应涡流主要沿工件的长度流动。例外是在通道感应器的交叉区段上涡流是半圆周的。作为示例，HandbookofInductionHeating中的图5.33示出了用于半轴的感应硬化的通道感应器。两个纵向支柱的每个及交叉区段的每个中的瞬时交流电相对于彼此在相反方向上。
被加热区域的长度可通过制造具有不同长度的纵向支柱区段的通道感应器控制。图1(b)示出现有技术单匝通道感应器100的一个示例。第一(上)交叉区段102包括交叉半区段102a和102a’、纵向支柱区段104a和104b以及第二(下)交叉区段106。复杂工件90插入如图1(c)示出的单匝鞍形感应器100。交叉半区段102a和102a’(图1(b))通过例如电介槽112彼此电隔离，使得交叉半区段102a和102a’可以连接至交流电源114的输出。由于感应器100的交叉区段和纵向支柱区段仅部分地围绕复杂工件90的圆周，因此，工件在装载在图1(c)中示出的加热处理位置时围绕其中心轴CL旋转。
图1(b)和图1(c)中的通道感应器100定向在垂直方向，用于在垂直或水平方向上装载或移除单发工件。
单匝通道感应器的纵向支柱区段可以通过使纵向支柱的选定区域凸起成形以适应经热处理的工件的特定几何特征(诸如工件直径的变化)而轮廓化。类似地，单匝通道感应器的一个或两个交叉区段可被轮廓化或弯曲化，用于生成与工件的合适区域的所需磁场区域耦合，从而获取需要的温度分布。制造具有面向工件的较窄加热表面的通道感应器的(所有)所需区段可以增大(所有)所需区域中感应功率的密度。
图2(a)至图2(c)绘示了圆角区域附近的现有技术单发通道感应器的轮廓化的交叉区段的三个典型示例。
图2(a)示出了用于热处理实心复杂工件92的单发单匝现有技术通道感应器加热装置的下半交叉区段106’。图2(a)仅示出了垂直定向的通道感应器的下交叉区段106’(类似于图1(b)中的交叉区段106)的右半部，具有用于感应冷却介质流动的内部冷却通道106a’。在该实施例中提供单独的淬火设备116，用于当工件在通道感应器中加热后达到所需热条件时淬火。替代的淬火方法包括：工件被加热并从通道感应器卸载后淬火。垂直对称轴CL的轴指示复杂工件92的实心圆柱形组件92a的核心。因此，对于复杂工件92来说，至少部分圆柱形组件是实心轴圆柱形组件92a，并且具有的直径比至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件是组件92b(其阴影线与组件92a的阴影线方向相反)。因此，如图2(a)所示，至少部分圆柱形组件92a的中心轴与圆形组件92b的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的直径比至少部分圆柱形组件92a的直径大的圆形组件92b。复杂工件92的外直径92c和圆角区域92d被包括在用于感应硬化的区域中，并且示出为斑点区域。外直径92c由于通道感应器的纵向支柱区段104a和104b(图2(a)中没有示出)中流动的电流产生的感应涡流而被加热。圆角区域92d中的感应加热主要由通道感应器的下交叉区段106’中流动的通道感应器电流产生。
图2(b)(只有右半视图)示出了用于热处理中空复杂工件90(也在图1(a)中示出)的单发单匝现有技术通道感应器的下交叉区段106”。图2(b)仅示出了垂直定向的通道感应器的下交叉区段106”(类似于图1(b)中的交叉区段106)的一半，具有用于感应器冷却介质流动的内部冷却通道106a”。图2(b)没有示出单独的淬火设备。垂直对称轴CL被指示作为复杂工件90的中空圆柱形组件(90a和90c)的核心，其中绘示的中空内部核心区域阴影线。因此，对于复杂工件90，亦如参考上文图1(a)中描述的，至少部分圆柱形组件是中空圆柱形组件90a，并且的直径具有比至少部分圆柱形组件90a的直径大的圆形组件在图中指定为组件90b，使得至少部分圆柱形组件90a具有与圆形组件90b的中心轴重合的中心轴，并且在一个末端处连接至比直径至少部分圆柱形组件90a的直径大的圆形组件90b，如图2(b)所示。
当工件具有包括图2(a)和图2(b)中的圆角的区域的硬化区域时，通常需要实质上增大圆角区域的感应加热密度，这是由于圆角区域具有实质更大的金属块需要加热。此外，被加热的圆角附近和被硬化的区域后方存在明显更大的工件质量，其形成实质“冷”散热效应，其由于导热性从被加热的圆角吸取热量。因此，冷散热效应的冷却效应必须由圆角区域中的感应额外加热能量补偿。所需能量过剩通常由窄化通道感应器的合适区域的电流载面获取，以增加合适区域内的功率密度。例如，如果感应器区段的加热面的载流部分减半，那么感应器区段的电流密度以及各自根据区域内的感应涡流密度将相应增大。根据焦耳效应，如果感应涡流密度加倍，那么感应功率密度增大四倍。
对于图2(a)中尤其是图2(b)两者中的配置，面向圆角区域的交叉区段中的感应器的加热面已经被轮廓化，以将感应涡流和发热集中在圆角区域内。
图2(c)示出了可替代现有技术单发单匝通道感应器加热设备的下半交叉区域106”的详细视图，其中除了交叉区域感应器轮廓化之外，还提供磁通量集中器80a和80b，以使复杂工件94的圆角区域94c中的热能的进一步集中。感应器的局部化电流密度可在利用磁通量集中器时显著增大。
磁通量集中器(也称为通量增强器、通量控制器、分流器转向器或磁芯)影响工件和通道感应器的磁场之间的电磁耦合。磁通量集中器在感应硬化中存在几个传统的功能：(a)提供工件的特定区域的选择性加热；(b)提高感应器的电效率；(c)以及充当电磁屏蔽及抑制临近区域的不想要的加热。通量集中器由具有低电导性的高磁导率软磁材料制成。通量集中器的软磁材料意味着它们仅在施加外部磁场时才是有磁性的。这些材料一旦暴露于交流电磁场中，就会快速改变它们的磁化而不需要太多摩擦。小面积窄磁滞回线对于这些材料是典型的。集中器提供低磁阻路径并且促进通量线在所要区域中的集中。如果将磁通量集中器引入感应器场中，那么它会为磁通量提供低磁阻路径，减小杂散通量并集中磁场的虚拟通量线。在没有通量集中器的情况下，磁场将围绕感应器散布并且与导电环境(例如，无需被加热的辅助设备、金属支架、工具、夹具、工件区域)关联。集中器形成磁路径以在所要区域中引导感应器的磁场。以上提到的因素对感应加热的选择区域有潜在正面效应。然而，感应器在特定区域的局部化电路密度可以实质增加，并潜在地引起局部感应器过度加热，和/或加速感应器应力开裂的开始(例如，由感应器的加工硬化)。
传统单匝通道感应器的主要缺点中的一个是其短寿命。在工件的选定区域(诸如圆角区域)产生足够热量生成的要求导致具有明显窄的感应器加热表面的必要性，该明显窄的感应器加热表面与磁通量集中器结合使用，其与过大线圈电流密度和感应器加热的过早失效相关。过早感应器失效(开裂、应力腐蚀或应力疲劳)通常发生在最高电流密度区域，并且通常发生在提供圆角加热的单匝通道感应器的交叉区域106中。交叉区段还由于电磁力的存在而经历感应器挠曲。因此，为了延长硬化感应器的寿命，应试图减小该区域中电流密度。
传统单匝通道感应器的另一个缺点与过大程序灵敏度相关，其对硬化组件的品质及加热可重复性具有负面影响。过大灵敏度与电磁临近效应相关。如果通道感应器内部的工件的定位改变(例如，与用于在感应器内旋转工件的设备相关的轴承的磨损，工件在感应器中的错误装载)，那么尤其在圆角区域内将存在加热强度的即刻变化。这通常会导致温度不足及与其相关的较小的硬度深度。
本发明的一个目的是提供用于复杂工件(其中至少部分圆柱形组件具有的中心轴与圆形组件的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的直径比至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件)的单发感应加热的改善的感应器，其具有延长的感应器寿命、改善的坚固性和对感应器内工件定位的减小的加热灵敏度。
本发明的以上和其它方面在本说明书和随附的权利要求中提出。
发明内容
本发明的一个方面是利用单发感应器感应热处理复杂工件的设备及方法。复杂工件具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的直径比至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件。单发单匝感应器具有单个交叉感应器区段，其连接至两个纵向支柱感应器区段的第一端，其中两个纵向支柱感应器区段的第二端连接至环感应器区段，其在复杂工件被装载入用于感应器加热应用的单发单匝感应器时围绕复杂工件的至少部分圆柱形组件的整个圆周。交叉感应器区段连同环感应器区段和纵向支柱感应器区段电串联连接以形成完成的电路。
本发明的另一方面是用于单发感应器感应热处理复杂工件的设备及方法。复杂工件具有至少部分圆柱形组件，其中心轴与圆形组件的中心轴重合，并且在一末端处连接至具有的直径比至少部分圆柱形组件的直径大的圆形组件。单发单匝感应器具有连接至两个纵向支柱感应器区段的第一端的第一环感应器区段，其中两个纵向支柱感应器区段的第二端连接至第二环感应器区段。当复杂工件被装载入用于感应器加热应用的单发单匝感应器中时，第一环感应器区段和第二环感应器区段围绕复杂工件的至少部分圆柱形组件的整个周围。两个纵向支柱感应器区段的一个经配置以供应交流电至单发感应器。
本发明的单发感应器也可用于热处理圆柱形工件，其中圆柱形工件的轴向长度被插入本发明的单发感应器中。
本发明的上述及其他方面阐述在本说明书和随附的权利要求中。
附图说明
提供如下文简要概述的附图，用于示例性理解本发明，并且不限于如本说明书和随附的权利要求中进一步阐述的本发明。
图1(a)是复杂工件的示例，其中复杂工件的至少部分圆柱形组件具有的中心轴与圆形组件的中心轴重合，并且在一个末端处连接至具有的直径大于至少部分圆柱形组件的直径的圆形组件。
图1(b)是可用于加热处理图1(a)中的复杂工件的现有技术通道感应器的一个示例的等角视图。
图1(c)绘示了被装载到图1(b)中的现有技术通道感应器的中的图1(a)示出的复杂工件。
图2(a)、图2(b)和图2(c)绘示了用于热处理具有单匝通道感应器的复杂工件的现有技术设置，其中只示出了感应器的下交叉区段的右半截面。
图3是本发明的单发感应器的一个例子的等角视图，其中箭头指示流过感应器的瞬时电流。
图4(a)和图4(b)是图3中的单发感应器，绘示为具有在图4(a)和图4(b)之间具有90度中心轴旋转，以示出定位在环形感应器区段的感应器阶状区域以适应所要工件的硬度型样和工件几何特征(诸如用于被加热的特定工件的直径变化)的一个示例。
图5(a)和图5(b)是图4(a)和图4(b)中的单发感应器，其中部分挖空以示穿过感应器的内部冷却介质流动通道。
图6以截面正视图绘示在装载至图3中所示的单发感应器中之前的复杂工件。
图7以穿透纵向支柱区段的平坦接口的截面正视图绘示在装载至图3中所示的单发感应器之后的复杂工件。
图8图解地绘示了本发明的单发感应器的另一个示例。
图9(a)和图9(b)是本发明的单发感应器的另一个示例的等角视图，其中箭头指示流过感应器的瞬时电流。
具体实施方式
图3至图5(b)绘示了本发明的单发感应器10的一个示例。参考图3，单发感应器10包括交叉感应器区段12、纵向支柱区段14a和14b以及环感应器区段16。交叉区段12包括交叉半区段12a及12a’。交叉半区段12a和12a’彼此电隔离，例如由介电槽22彼此电隔离，使得交叉半区域12a和12a’可连接至交流电源24的输出。介电槽22可以是充气介电质或填充电绝缘材料诸如云母片。环感应器区段16包括连续环半区段16a和16b，其形成电连接至纵向支柱区段14a和14b的连续电导体。环感应器区段16的两个半区段16a和16b相对彼此电并联连接。环感应器16的半区段16a和16b的每个在本示例中轮廓化为具有高阶状区域(16a’和16b’)以及低阶状区域(16a”和16b”)，其通过如图3中示出的倾斜互联区域(16a”'和16b”')连接。在本发明的所有实施例中，如可能需要适应被热处理的特定复杂工件的几何特征，轮廓化可由凸起成形环感应器区段的选定区域来完成。可选地，交叉感应器区段或纵向支柱感应器区段也可被轮廓化。
流过单发感应器10的瞬时交流电流由图3中的箭头绘示。因此，瞬时电流从交叉半区段的一个流入两个纵向支柱区段的一个，流至环感应器区段16，然后流过平行环半区段16a和16b，并且从环感应器区段16流出至另一纵向支柱区段，用于返回至另一交叉半区段。该配置减小与上述具有两个交叉区段的现有技术单发单匝通道感应器比较需要的环半区段的每一个的电流量级，同时与上述现有技术部分环绕相比，由环绕根据的整个圆周而保持工件中相同的所需热能。环半区段中电流量级的减小会减小电流密度及电磁力，这导致单发感应器10的寿命增加超过现有技术单发单匝通道感应器的寿命。
为了解释且非限制目的，交叉半区段12a可称为供应交叉区段，纵向支柱感应器区段14a可称为供应纵向支柱感应器区段，纵向支柱感应器区段14b可以称为返回纵向支柱感应器区段，并且交叉半区段12a’可以称为返回交叉区段。供应交叉区段具有电源供应端13a和相对的供应支柱交叉区段端13b。返回交叉区段具有电源返回端13c和相对的返回支柱交叉区段端13d。第一环区段16a具有相对的第一环区段供应支柱端17b和第一环区段返回支柱端17a，并且第二环区段16b具有相对的第二环区段供应支柱端17c(参见图4(b))以及第二环区段返回支柱端17d。虚线用于指代第一环区段16a和第二环区段16b的每个的末端，环感应器区段16(由第一环区段16a和第二环区段16b形成)通常被制作为连续大致环形圆柱形组件。供应纵向支柱感应器区段14a具有供应支柱交叉端14a’和供应支柱环端14a”。供应支柱交叉端14a’连接至供应支柱交叉区段端13b，并且供应支柱环端14a”连接于第一环区段供应支柱端17b和第二环区段供应支柱端17c之间。返回纵向支柱感应器区段14b具有返回支柱交叉端14b’和返回支柱环端14b”。返回支柱交叉端14b’连接至返回供应支柱交叉区段端13d，并且返回支柱环端14b”连接于第一环区段返回支柱端17a和第二环区段返回支柱端17d之间，以从围绕供应纵向支柱感应器区段和返回纵向支柱感应器区段的供应支柱环端和返回支柱环端的第一环区段和第二环区段形成连续电导体，从而当复杂工件的至少部分圆柱形组件定位在供应纵向支柱感应器区段和返回纵向支柱感应器区段之间时，复杂工件的圆形组件定位为临近环感应器区段的外部面16c，并且交流电源连接于供应交叉区段的电源供应端与返回交叉区段的电源返回端之间，复杂工件被感应热处理。
图4(a)和图4(b)将连续环感应器区段16划分成第一环区段16a的轮廓化区域16’和16a”(参见图3)，以及第二环区段16b(参见图3)的16b’和16b”，以绘示轮廓化由第一环区段和第二环区段形成的连续环感应器区段16的一个示例。如上所述，如此将环轮廓化为感应器阶状区域适应所需工件硬度型样及工件几何特征，诸如直径变化或壁厚度变化(例如，当被加热的复杂工件的至少部分圆柱形组件是中空的)。在每个环半区段中需要两个或更多阶状区域，并且环阶部的所有或一些可能在体积上彼此不相等。此外，每个倾斜互联区域(16a”'和16b”')的弧(弓)长度可能彼此不同，并且被制作为具有对在复杂工件的特定区域(诸如轴区域或复杂工件的至少部分圆柱形组件和圆形组件之间的圆角区域)中感应的能量具有不同影响。
图5(a)和图5(b)绘示了单发感应器10上的进口及出口，其用于供应及返回用于当交流电流过感应器时由焦耳效应加热导致的冷却感应器10的流体冷却介质。在该实施例中提供两个单独的冷却回路，称为冷却回路“A”(以实线箭头示出)以及冷却回路“B”(以虚线箭头示出)。如在图5(a)和图5(b)中示出的，供应进口(“A”IN)冷却路径依序穿过：环半区段16a(16a’和16a”)；纵向支柱感应器区段14b和交叉半区段12a’以返回出口(“A”OUT)，并且供应进口(“B”IN)冷却路径依序穿过：环半区段16b(16b’和16b”)；纵向支柱感应器区段14a和交叉半区段12a以返回出口(“B”OUT)。用于感应器10的不同区段的单独双冷却回路的优点在于其允许不同的冷却参数补偿感应器10的制作中的非对称特征。此外，每个单独的供应进口进入且首先冷却单独的环半区段，其将产生最大的热量，并且随后继续流动穿过单独的纵向支柱感应器区段和单独的交叉半区段。在本发明的替代示例中，可能不需要水冷却，或者用于整个感应器的单个冷却回路可能是足够的，并且用于本发明的特定复杂工件。
在图3至图5(b)中，交叉感应区段在形状上通常(即，未轮廓化的情况下)是半圆柱形并且由介电槽22分成大致四分之一圆柱形交叉半区段。在本发明的其它实施例中，交叉感应器区段在形状上可大致大于或小于半圆柱形，并且交叉半区段可以大致大于或小于相等镜像形状的四分之一圆柱形半区段，或对于正被热处理的特定复杂工件是不相等的形状。图3至图5(b)中，每个纵向支柱感应器区段匝形状上大致是(即，未轮廓化的情况下)矩形条并且大致(即，未轮廓化的情况下)垂直于交叉感应器区段和环感应器区段的径向截面平面，该平面垂直于中心轴CL，并且可在用于正被热处理的特定复杂工件的本发明的其它实施例中另外成形或定向。在图3至图5(b)中，环感应器区段大致(即，未轮廓化的情况下)是环形圆柱环形状，其具有相等弓长度的环半区段环形半圆柱环，其中如图中所示，相对的纵向支柱感应器区段连接至两个环半区段的临近末端，在本发明的其它示例中，环半区段针对正被热处理的特定工件可以是不相等的弓形长度。
图6绘示了装载入单发感应器10之前的复杂工件90。图7绘示了装载入用于感应热处理程序的单发感应器10的复杂工件10。可以为装载的复杂工件90提供合适的设备以至少在热处理程序的部分期间围绕中心轴CL旋转。由于环区段16环绕装载的复杂工件90的整个圆周，因此圆角区域90d中的加热能量增大，无需过度减小感应器的载流面并且无需过度增大线圈电流的量级。
如果复杂工件不对称地位于感应器10内(即，环感应器区段16的对称轴(Acollar)与感应器10内的复杂工件90的对称轴(CL)不重合)，那么在具有增大的感应器至工具间隙的两个半环区段的一个中将产生减小的感应加热效应，其被具有减小的感应器至工具间隙的两个半环区段中的另一个产生的增大的感应加热效应抵消。因此，与感应器10内的复杂工件90的定位相关的感应热处理程序灵敏度减小超过以上描述的针对现有技术的单匝通道感应器的程序灵敏度。
图8绘示了本发明的单发感应器11的另一个示例。在本示例中，不像单发感应器10，纵向支柱感应区段15a和15b的纵向长度不相等，使得交叉感应器区段13的交叉半区段13a和13a’被定位在围绕被装载在单发感应器11中的工件的中心轴。当纵向支柱区段的纵向长度不同时，供应交叉区段和返回交叉区段将由交叉半区段13a和13a’之间的平面分隔z1相对于垂直于图8中绘示的中心轴CL的供应交叉区段和返回交叉区段的相应截面径向平面彼此不共面。此外，交叉半区段13a和13a’的面13aa和13aa’(示出为阴影线)的轮廓化可以不同。在图8中，环感应器区段16可以类似于用于单发感应器10的环感应器区段16。
图9(a)和图9(b)绘示了本发明的单发感应器30的另一个示例。在本实施例中，第二环感应器区段替代本发明的其它实施例中的交叉感应器区段，并且两个纵向支柱区段中的一个被划分成两个电隔离的纵向半支柱区段，使得电源24可以连接于纵向半支柱区段之间，并且单发感应30的纵向支柱区段的相对端的两个环感应器区段由未划分的中心支柱区段34b串联连接在一起。为方便起见，在图9(a)和图9(b)中，两个环感应器区段称为顶部环感应器区段32和底部环感应器区段36，而不限制两个环感应器区段的顶部及底部空间定向。顶部环感应器区段32包括并联电连接的顶部环第一区段32a和顶部环第二区段32b。虚线用于指代每个环区段的末端，顶部环32通常被制作为连续大致环形圆柱形组件。顶部环第一区段具有相对的顶部环第一区段第一支柱端32a’和顶部环第一区段第二支柱端32a”，并且顶部环第二区段具有相对的顶部环第二区段第一支柱端32b’和顶部环第二区段第二支柱端32b”。底部环感应器区段36包括底部环第一区段36a和底部环第二区段36b。底部环第一区段36a具有相对的底部环第一区段第一支柱端37a和底部环第一区段第二支柱端37b，并且底部环第二区段36b具有相对的底部环第二区段第一支柱端37c和底部环第二区段第二支柱端37d。电力供应纵向支柱感应器区段34a具有电力供应纵向支柱顶部环区段端34a’和电力供应纵向支柱底部环区段端34a”。电源供应端子35a和电源返回端子35b位于电力供应纵向支柱顶部环区段端和电力供应纵向支柱底部环区段端之间。术语“供应”和“返回”是为了方便而使用并不限制单发感应器30的方位，并且箭头示出流过单发感应器30的交流电流动的瞬时方向。电源供应端子和电源返回端子之间的电隔离由端子之间可介电充气的空间35或介电材料(诸如云母片)提供。电力供应纵向支柱顶部环区段端34a’连接至顶部环第一区段第一支柱端32a’和第二区段第一支柱端32b’，并且电力供应纵向支柱底部环区段端34a”连接至底部环第一区段第一支柱端37a和底部环第二区段第一支柱端37c。返回纵向支柱感应器区段34b具有返回纵向支柱顶部环区段端34b’和返回纵向支柱底部环区段端34b”。返回纵向支柱顶部环区段端34b’连接至顶部环第一区段第二支柱端32a”和顶部环第二区段第二支柱端32b”，并且返回纵向支柱底部环区段端34b”连接至底部环第一区段第二支柱端37b和底部环第二区段第二支柱端37d，使得当复杂工件装载在单发感应器30中时，正被热处理的复杂工件的至少部分圆柱形组件位于电力供应纵向支柱感应器区段34a和电力供应返回纵向支柱感应器区段34b之间，并且复杂工件的圆形组件定位为临近底部环36的外部面36c，并且交流电源连接于电源供应端子35a和电力供应返回端子35b之间，复杂工件被感应加热处理。底部环感应器区段的外部面36c是背向顶部环感应器区段的底部线圈的面。在本示例中，底部环第一区段36中的轮廓化区域36a’、36a”以及36a”'和底部环第二区段36b中的轮廓化区域36b、36b”和36b”'分别类似于单发感应器10的底部环第一区段16a中的轮廓化区段16a’、16a”以及16a”'和底部环第二区段16b中的轮廓化区域16b’、16b”和16b”'。
在图9(a)和图9(b)中，顶部环感应器区段和底部环感应器区段每个大致(即，未轮廓化的情况下)是环形圆柱环形状，其中环半区段是具有相等弓长度的环形半圆柱环，并且相对的纵向支柱区段连接至两个环半区段的相邻端，在本发明的其它实例中，环半区段可以是针对正被热处理的特定工件的不同弓形长度。在图9(a)和图9(b)中，分离的及未分离的纵向支柱感应器区段每个在形状上大致(即，未轮廓化的情况下)是矩形条，并且大致(即，未轮廓化的情况下)垂直于顶部环感应器区段截面径向平面和底部环感应器区段截面径向平面，截面径向平面垂直于中心轴CL，并且可以在针对被热处理的特定复杂工件的本发明的其它实施例中另外成形或定向。
用于图9(a)和图9(b)中的单发感应器30的一个优选双重单独冷却回路配置是双重隔离冷却回路配置，其中例如，第一隔离冷却回路流动穿过顶部环32并且第二隔离冷却回路流动穿过底部环36。在本发明的其它实施例中，单个或多个隔离冷却回路可用于图9(a)和图9(b)中的单发感应器30。
在本发明的其它示例中，本发明的单发感应器10或11可以是单发多匝感应器，例如，具有两个环感应器区段和连接至每个环感应器区段的一对单独纵向支柱区段的单发两匝感应器。
具有其中心轴与圆形组件的中心轴重合的至少部分圆柱形组件的复杂工件特征包含复杂工件，其中至少部分圆柱形组件的中心轴非重合并且仍可被插入(装载)在本发明的单发感应器的纵向支柱感应器区段之间，同时维持至少部分圆柱形组件与纵向支柱感应器区段之间的最小径向气隙。
本发明的单发感应器也可以可选地用于感应热处理圆柱形工件，诸如轴。
虽然单发感应器的以上示例结合在垂直方向上定向的感应器及工件，但是在本发明的其它实施例中可以使用其它定向。术语“顶部”和“底部”以及“供应”和“返回”仅用于解释并且不限制本发明的范围，这是因为单发感应器的其它定向也是可接受的。
在本发明的单发感应器中加热的工件的淬火可在工件被加热且从单发感应器中移除后完成，或者在本发明的其它示例中淬火通道可以提供在本发明的单发感应器内部，并且来自适当源的淬火剂可在工件仍未从单发感应器中卸载时通过内部淬火通道对工件淬火。
本发明的任何单发感应器可以例如通过计算机辅助制造(computer-aidedmanufacturing,CAM)由铜块制作为单块感应器。
在以上描述中，为了说明的目的，已叙述许多特定要求和几个特定细节以提供示例及实施例的透彻理解。然而对本领域技术人员来说很明显的是，在没有这些特定细节的情况下可以实践一个或多个示例或实施例。描述的特定实施例不是提供以限制本发明而是对其解释。
贯穿本说明书中提到的例如“一个示例或实施例”、“示例或实施例”、“一个或多个示例或实施例”或“不同示例或实施例”意指本发明的实践中可包含的特定特征。在描述中，为了顺利阐明本发明并且协助理解各种发明发明的目的，各种特征有时在单个示例、实施例、附图或描述中组合在一起。
本发明已参考优选示例或实施例描述。除了明确声明外，等效、替代及修改是可能的并且在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用于复杂工件的感应热处理的单发感应器，所述复杂工件包括至少部分圆柱形组件，所述至少部分圆柱形组件的中心轴与圆形组件的中心轴重合，所述至少部分圆柱形组件在其一个末端处连接至所述圆形组件，并且所述圆形组件具有大于所述至少部分圆柱形组件的所述圆柱形组件直径的圆形组件直径，所述单发感应器包括：
交叉感应器区段，所述交叉感应器区段包括供应交叉区段和返回交叉区段，所述供应交叉区段具有电源供应端和供应支柱交叉区段端，所述供应支柱交叉区段端与所述电源供应端相对，所述返回交叉区段具有电源返回端和返回支柱交叉区段端，所述返回支柱交叉区段端与所述电源返回端相对，所述供应交叉区段和所述返回交叉区段在所述电源供应端和所述电源返回段之间彼此电隔离，所述电源供应端和所述电源返回端定位为临近彼此并且由介电质分开；
环感应器区段，所述环感应器区段包括第一环区段和第二环区段，所述第一环区段具有第一环区段供应支柱端和第一环区段返回支柱端，所述第一环区段返回支柱端与所述第一环区段供应支柱端相对，所述第二环区段具有第二环区段供应支柱和第二环区段返回支柱端，所述第二环区段返回支柱端与所述第二环区段供应支柱端相对；
供应纵向支柱感应器区段，具有供应支柱交叉端和供应支柱环端，所述供应支柱环端与所述供应支柱交叉端相对，所述供应支柱交叉端连接至所述供应支柱交叉区段端，并且所述供应支柱环端连接于所述第一环区段供应支柱端和第二环区段供应支柱端之间；以及
返回纵向支柱感应器区段，具有返回支柱交叉端和返回支柱环端，所述返回支柱环端与所述返回支柱交叉端相对，所述返回支柱交叉端连接至所述返回支柱交叉区段端，并且所述返回支柱环端连接于所述第一环区段返回支柱端和所述第二环区段返回支柱端之间，以从围绕所述供应纵向支柱感应器区段的所述供应支柱环端和所述返回纵向支柱感应器区段的所述返回支柱环端的所述第一环区段和所述第二环区段形成连续电导体，由此，当所述复杂工件的所述至少部分圆柱形组件定位于所述供应纵向支柱感应器区段和所述返回纵向支柱感应器区段之间，并且所述圆形组件定位为临近所述环感应器区段的外部面，并且交流电源连接于所述供应交叉区段的所述电源供应端与所述返回交叉区段的所述电源返回端之间时，所述复杂工件被感应热处理。
2.根据权利要求1所述的单发感应器，其中，
所述交叉感应器区段在形状上是大致半圆柱形，并且所述供应交叉区段和所述返回交叉区段在形状上每个大致是四分之一圆柱形；
所述环感应器区段在形状上是大致环形圆柱环，并且所述第一环区段和所述第二环区段每个在形状上是大致环形半圆柱环并且是相同弓形长度；以及
所述供应纵向支柱感应器区段和所述返回纵向支柱感应器区段在长度上大致垂直定向于所述交叉感应器区段和所述环感应器区段的径向平面。
3.根据权利要求1所述的单发感应器，其中所述供应交叉区段和所述返回交叉区段彼此不共面。
4.根据权利要求1所述的单发感应器，还包括在所述供应交叉区段、所述返回交叉区段、所述供应纵向支柱感应器区段、所述返回纵向支柱感应器区段、所述第一感应器环区段或所述第二环区段中至少一个的至少一个轮廓化区域。
5.根据权利要求4所述的单发感应器，其中所述至少一个轮廓化区域包括阶状轮廓区域。
6.根据权利要求1所述的单发感应器，还包括至少一个内部冷却回路，所述至少一个内部冷却回路形成在所述交叉感应器区段、所述供应纵向支柱感应器区段、所述返回纵向支柱感应器区段和所述环感应器区段内，用于使冷却介质在所述至少一个内部冷却回路内流动。
7.根据权利要求1所述的单发感应器，还包括：
第一冷却回路，包括：
第一冷却回路供应进口端口，与所述第一环区段中的第一环区段内部冷却通道连通；
所述返回纵向支柱感应器区段中的返回纵向支柱感应器区段内部冷却通路，与所述第一环区段内部冷却通路连通；
所述返回交叉区段中的返回交叉区段内部冷却通路，与所述返回纵向支柱感应器区段内部冷却通路连通；以及
第一冷却回路返回出口端口，与所述返回交叉区段内部冷却通路连通，由此，冷却介质依序流动穿过所述第一环区段、所述返回纵向支柱感应器区段和所述返回交叉区段；
以及
第二冷却回路，包括：
第二冷却回路供应进口端口，与所述第一环区段中的第二环区段内部冷却通路连通；
所述供应纵向支柱感应器区段中的供应纵向支柱感应器区段内部冷却通道，与所述第二环区段内部冷却通路连通；
所述供应交叉区段中的供应交叉区段内部冷却通路，与所述供应纵向支柱感应器区段内部冷却通路连通；以及
第二冷却回路返回出口端口，与所述供应交叉区段内部冷却通路连通，由此，所述冷却介质依序流动穿过所述第二环区段、所述供应纵向支柱感应器区段和所述供应交叉区段。
8.一种用于复杂工件的感应器热处理的单发感应器，所述复杂工件包括至少部分圆柱形组件，所述至少部分圆柱形组件的中心轴与圆形组件的中心轴重合，所述至少部分圆柱形组件在一个末端处连接至所述圆形组件，并且所述圆形组件具有大于所述至少部分圆柱形组件的所述圆柱形组件直径的圆形组件直径，所述单发感应器包括：
顶部环感应器区段，所述顶部环感应器区段包括顶部环第一区段和顶部环第二区段，所述顶部环第一区段具有顶部环第一区段第一支柱端和顶部环第一区段第二支柱端，所述顶部环第一区段第二支柱端与所述顶部环第一区段第一支柱端相对，所述顶部环第二区段具有顶部环第二区段第一支柱端和顶部环第二区段第二支柱端，所述顶部环第二区段第二支柱端与所述顶部环第二区段第一支柱端相对；
底部环感应器区段，所述底部环感应器区段包括底部环第一区段和底部环第二区段，所述底部环第一区段具有底部环第一区段第一支柱端和底部环第一区段第二支柱端，所述底部环第一区段第二支柱端与所述底部环第一区段第一支柱端相对，所述底部环第二区段具有底部环第二区段第一支柱端和底部环第二区段第二支柱端，所述底部环第二区段第二支柱端与所述底部环第二区段第一支柱端相对；
电力供应纵向支柱感应器区段，具有电力供应纵向支柱顶部环区段端和电力供应纵向支柱底部环区段端，电源供应端子和电源返回端子位于所述电力供应纵向支柱顶部环区段端和所述电力供应纵向支柱底部环区段端之间，所述电源供应端子和所述电源返回端子彼此电隔离，所述电力供应纵向支柱顶部环区段端连接至所述顶部环第一区段第一支柱支柱端和所述顶部环第二区段第一支柱端，并且所述电力供应纵向支柱底部环区段端连接至所述底部环第一区段第一支柱端和所述底部环第二区段第一支柱端；以及
返回纵向支柱感应器区段，具有返回纵向支柱顶部环区段端和返回纵向支柱底部环区段端，所述返回纵向支柱底部环区段端与所述返回纵向支柱顶部环区段端相对，所述返回纵向支柱顶部环区段端连接至所述顶部环第一区段第二支柱端和所述顶部环第二区段第二支柱端，并且所述返回纵向支柱底部环区段端连接至所述底部环第一区段第二支柱端和所述底部环第二区段第二支柱端，由此，当所述复杂工件被装载到所述单发感应器中时，所述至少部分圆柱形组件定位为位于所述电力供应纵向支柱感应器区段和所述返回纵向支柱感应器区段之间，并且所述圆形组件定位为临近所述底部环感应器区段的外部面，并且交流电源连接于所述电源供应端子和所述电源返回端子之间时，所述复杂工件被感应电流热处理。
9.根据权利要求8所述的单发感应器，其中：
所述顶部环感应器区段和所述底部环感应器区段的每个在形状上是大致环形圆柱环；所述顶部环第一区段和所述顶部环第二区段每个在形状上是大致环形半圆柱环并且是相同弓形长度；并且所述底部环第一区段和所述底部环第二区段每个在形状上是大致环形半圆柱环并且是相同弓形长度；以及
所述电力供应纵向支柱感应器区段和所述返回纵向支柱感应器区段在长度上是大致垂直定向于顶部环感应器区段和所述底部环感应器区段的径向平面。
10.根据权利要求8所述的单发感应器，其中所述电源供应端子和所述电力供应纵向支柱顶部环区段端之间的距离不等于所述的一电源返回端子和所述电力供应纵向支柱底部环区段端之间的距离。
11.根据权利要求8所述的单发感应器，还包括所述顶部环感应器区段、所述底部环感应器区段、所述电力供应纵向支柱感应器区段或所述返回纵向支柱感应器区段中至少一个的至少一个轮廓化区域。
12.根据权利要求11所述的单发感应器，其中所述至少一个轮廓化区域包括阶状轮廓区域。
13.根据权利要求8所述的单发感应器，还包括至少一个或多个内部冷却回路，所述至少一个或多个内部冷却回路形成在所述顶部环感应器区段、所述电力供应纵向支柱感应器区段、所述返回纵向支柱感应器区段和所述底部环感应器区段中，用于使冷却介质在所述至少一个内部冷却回路内流动。
14.一种复杂工件的单发感应热处理方法，所述复杂工件包括至少部分圆柱形组件，所述至少部分圆柱形组件的中心轴与圆形组件的中心轴重合，所述至少部分圆柱形组件在一个末端处连接至所述圆形组件，并且所述圆形组件具有大于所述至少部分圆柱形组件的所述圆柱形组件直径的圆形组件直径，其中热处理感应器包括：交叉感应器区段，所述交叉感应器区段包括供应交叉区段和返回交叉区段，所述供应交叉区段具有电源供应端和供应支柱交叉区段端，所述供应支柱交叉区段端与所述电源供应端相对，所述返回交叉区段具有电源返回端和返回支柱交叉区段端，所述返回支柱交叉区段端与所述电源返回端相对，所述供应交叉区段和所述返回交叉区段在所述电源供应端和所述电源返回段之间彼此电隔离，所述电源供应端和所述电源返回端定位为临近彼此并且由介电质分开；环感应器区段，所述环感应器区段包括第一环区段和第二环区段，所述第一环区段具有第一环区段供应支柱端和第一环区段返回支柱端，所述第一环区段返回支柱端与所述第一环区段供应支柱端相对，所述第二环区段具有第二环区段供应支柱和第二环区段返回支柱端，所述第二环区段返回支柱端与所述第二环区段供应支柱端相对；供应纵向支柱感应器区段，具有供应支柱交叉端和供应支柱环端，所述供应支柱环端与所述供应支柱交叉端相对，所述供应支柱交叉端连接至所述供应支柱交叉区段端，并且所述供应支柱环端连接于所述第一环区段供应支柱端和第二环区段供应支柱端之间；以及返回纵向支柱感应器区段，具有返回支柱交叉端和返回支柱环端，所述返回支柱环端与所述返回支柱交叉端相对，所述返回支柱交叉端连接至所述返回支柱交叉区段端，并且所述返回支柱环端连接于所述第一环区段返回支柱端和所述第二环区段返回支柱端之间，以从围绕所述供应纵向支柱感应器区段的所述供应支柱环端和所述返回纵向支柱感应器区段的所述返回支柱环端的所述第一环区段和所述第二环区段形成连续电导体，所述方法包括：
装载定位于所述供应纵向支柱感应器区段和所述返回纵向支柱感应器区段之间的所述复杂工件的所述至少部分圆柱形组件，使得所述圆形组件定位为临近所述热处理感应器的所述环感应器区段的外部面；
在所述供应交叉区段的所述电源供应端与所述返回交叉区段的所述电源返回端之间提供交流电，以感应热处理所述复杂工件；
将所述复杂工件从所述热处理感应器卸载。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括当在所述高压交叉区段的电源供应端和所述返回交叉区段的电源返回端之间供应交流电的时间周期的至少部分的同时，围绕所述复杂工件的所述中心轴旋转所述复杂工件。
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