CN1973578B - 通过感应加热对工件进行多频加热处理 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于多频感应加热处理包括齿轮的工件(14)的装置和方法。高频功率被施加到环绕工件(14)的感应线圈(12)，使得高频磁场与工件(14)耦合从而感应加热工件。C芯电感器(16a-b)连到线圈(18)，其具有施加给其的低频功率。工件(14)被插入在C芯电感器磁路中的间隙内，使得当低频电流施加到与C芯电感器连接的线圈(18)时，工件经受低频焦耳效应加热。另外，当工件具有开口时，工件可被插在C芯电感器(16a-b)周围。
Description
相关申请交叉参考
本申请要求2004年4月21日申请的美国临时专利申请60/564,083的利益，其通过引用而全部组合于此。
技术领域
本发明涉及导电工件的加热处理，其中在不同频率的两种不同形式的感应加热的结合用于实现加热处理。
背景技术
通过使交流电流通过感应线圈可感应加热处理齿轮或其它工件。电流在线圈周围产生磁场，其与齿轮磁耦合以在齿轮中引起涡流。齿轮的感应淬火在齿轮的齿面提供马氏体层以增加硬度及耐磨性，同时齿轮的其余部分不受该过程的影响。硬度的增加还提高了接触疲劳强度及其它机械性能。齿轮的几何复杂性和感应线圈及齿尖、齿根圆角之间的电磁耦合的变化在齿轮的齿尖和齿根中导致不同的感应热强度。
电流的频率对齿轮内的涡流电流和热量分布有显著的影响。基本上，当只需用单频率电流来使齿尖变硬时，则应用相对高的频率(如30kHz到450kHz)和高功率密度，其中使用单匝或多匝电磁铁线圈提供单频率电流。参见图1(a)。当相对高频率的电流(功率)施加到线圈100时，齿轮102中的涡流电流感应加热沿齿轮的轮廓进行，如由代表性的加热轮廓线104所指示的轮廓。由于电流密度的最高集中将在齿尖106，从而相比于齿根108，在齿尖中有功率过剩。还考虑齿尖相比于齿根108只有最小量的金属须被加热，齿尖在整个加热周期中将经历最强的温度升高。此外，从热量角度看，在齿根下面的金属量代表比齿尖大得多的散热片。由于相比于齿根，感应线圈和齿尖之间的电磁邻近效应，另一补充齿尖的更强加热的因素涉及更好的电磁耦合。更高的频率趋于使邻近效应更明显。
当感应淬火齿根108时，最好采用相对低的频率(如50Hz到20kHz)。由于低频率，涡流穿透深度远大于高频时的深度。当加热细距或中距齿轮时，低频感应的电流更易于制造短径并沿齿轮的基圆或齿根线而不是沿齿轮廓而行。参见图1(b)及代表性的加热轮廓线110。结果是齿根圆角区相对于齿尖的更强加热。
通常，为提供沿齿轮齿部(从齿尖到齿根)轮廓的淬火模式，需要对齿轮进行预加热。取决于齿轮几何结构，预加热通常使用中间频率或低频(如低于20kHz)进行。在最后加热阶段期间施加高频(如30kHz到450kHz)。
图2所示为现有技术感应加热方法之一，其使用单线圈114和两个逆变器116a和116b，两个逆变器分别是低功率密度的低(或中等)频率功率及高功率密度的高频功率的来源。该方法的突出步骤是：将齿轮放置在线圈114内；旋转齿轮；将来自逆变器116a的低频电流施加到线圈(通过断开触头118并闭合触头120实现)以感应预加热齿轮；使线圈与逆变器116a断开连接(通过闭合触头118)并施加来自逆变器116b的高频电流(通过断开触头120)以将齿轮加热到淬火温度；将高频电流从齿轮去除；及淬火齿轮。该方法的主要缺点是系统的低可靠性和高成本。感应加热需要高电流，而高电流机电触头通常寿命很短。更长寿命的电子开关可用以代替机械开关，但这将增加系统的整体成本。
图3所示为另一现有技术感应加热方法，其使用两个线圈，即预加热线圈128a和最后加热线圈128b，以及两个逆变器130a和130b。中频功率逆变器130a以低功率密度向预加热线圈供电，高频功率逆变器130b以高功率密度向最后加热线圈供电。在该方法中，齿轮102借助于适当的机械传送系统(以图3中箭头所示的方向)顺序通过预加热线圈128a、最后加热线圈128b及淬火环132以使(预加热线圈中所示的)齿轮102变硬。该方法的主要缺点在于要求预加热和最后加热之间的时间很短(如小于1秒)。这使得设备成本增加，因为机械传送系统必须是用于快速(小于1秒)并准确从预加热位置齿轮传送到最后加热位置的精确设计。
在另一现有技术方法中，同时双频电源被用于齿轮淬火，例如，美国专利2,444,259中公开的方法(高频感应加热方法)。同时双频电源的输出由两个略微不同的频率组成。频率之一提供齿根圆角的加热，另一频率提供齿部轮廓的加热。该同时双频加热方法的主要缺点在于单线圈的形状不能被优化用于两个频率。
本发明的目标之一在于提高齿轮(特别地，但不限于伞齿轮和小齿轮)的感应淬火的均匀性以及减少齿轮变形，其使用相对低频C芯型感应加热工件并使用单独的感应线圈相对高频感应加热工件而实现上述目标。
发明内容
一方面，本发明是通过使用两种不同类型(结构)的感应线圈感应加热工件的装置和方法。工件被流经环绕工件的第一感应线圈的第一交流电流感应加热。第一交流电流建立与工件感应耦合的磁场。工件还通过置于低频C芯型电感器中的开口内而被加热，其耦合到代表初级绕组的第二感应线圈。第二感应线圈连到第二交流电流源。初级绕组产生的磁通量流经C芯(用作磁通量分流器)并也流经工件。这在工件中引起电流，由于焦耳效应，该电流加热工件。基本上，相同的磁通量将流过层迭的C芯和所加热的元件。然而，由于C芯由层迭的磁性材料或粉末状的磁性材料制成，其对感生的涡流具有更高高的电阻率。这导致在C芯中感生的涡流量相比于工件内感生的涡流大大减少，从而导致工件相对C芯更强加热。通常，第一交流电流的频率高于第二交流电流。使用第一交流源和第二交流源产生的涡流感应加热工件可以同时进行也可不同时进行。
本发明的其它方面将在本说明书及所附权利要求中提出。
附图说明
用于说明本发明的目的，附图中所示均为目前首选的形式。然而，应当理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。
图1(a)为使用高频电流时典型的涡流电流流动及齿轮感应加热轮廓。
图1(b)为使用低频电流时典型的涡流电流流动及齿轮感应加热轮廓。
图2为相继感应预加热和最后加热工件的现有技术方法之一。
图3为相继感应预加热和最后加热工件的另一现有技术方法。
图4为本发明多频热处理装置的一个例子。
图5为本发明多频热处理装置的另一例子。
图6为本发明多频热处理装置的另一例子。
图7为本发明多频热处理装置的另一例子。
图8为本发明多频热处理装置的另一例子。
图9为本发明多频热处理装置的另一例子。
具体实施方式
图4中所示为本发明感应加热处理装置10的一个例子。在图4中所示的工件14被图解地表示为小齿轮时，本发明的感应加热处理装置也可应用于其它类型的齿轮及其它类型的导电工件。高频(HF)螺管线圈12至少部分环绕工件14。线圈12可以是单匝或多匝线圈。低频C芯电感器16包括固定的芯段16a和可移动的芯段16b。低频芯可由现有技术中已知的磁性材料制成，如层迭的磁性材料或粉末状磁性材料，如铁氧体或基于铁的材料。低频(LF)螺管线圈18环绕固定芯段16a的一部分。
HF螺管线圈12适当地连到高频电流的功率源(在图中未示出)，LF螺管线圈18适当地连到低频电流的功率源(在图中未示出)。由HF螺管线圈12中的高频电流的流动产生的HF磁场与工件14磁耦合以实现工件的高频感应加热。
由LF螺管线圈18的低频电流的流动产生的LF磁场与C芯电感器16磁耦合以在C芯中引起低频磁场。由于工件14位于C芯电感器中的间隙中，工件形成磁路的一部分。由于工件14通常未被层迭或被制成防止低频电流流经其的形式，低频感生电流将流过工件从而通过焦耳效应对其加热，而低频C芯保持相对未加热。当工件温度低于居里点时，将有磁滞损耗产生的另外的加热。
如现有技术中所知道的，磁通集中器15可用于集中在工件的端部以使能在C芯端部区域中适当的分布电磁场，同时，为HF螺管线圈提供空间以使其能被同时布置在齿轮的外径周围。工件可通过同时或不同时向工件施加HF磁场和向C芯施加LF磁场而被感应加热，在那期间工件位于C芯的间隙中。非同时施加可通过多种方法实现。例如，使用低频螺管线圈和高频C芯线圈的感应加热在时间上可相继进行或部分重叠。
在上述现有技术中，与本发明不同的是，LF螺管线圈用于实现低频感应加热。当使用环绕在锥形齿轮如小齿轮的外面的LF螺管线圈时，集肤效应和邻近效应均确定感应加热温度曲线。邻近效应将齿轮内的电流吸引到最接近线圈的表面。由于小齿轮是锥形，电流将在齿轮的大直径部分流动更多，而在小直径部分流到较少。这种由于不等电磁耦合或邻近效应导致的非均匀加热可通过使LF螺管线圈的内径依次递减以与小齿轮的锥度匹配而得到一些补偿。这种方法对位置非常敏感，很少能导致很好的均匀性。
当按照本发明这样使用C芯电感器时，只有集肤效应和位于端部区域的磁通集中器的几何结构确定低频加热温度曲线。集肤效应使得感生电流在齿轮的外表面附近流动。频率越高，电流越靠近外表面流动，从而导致更薄层的加热；相反，在更低频率的感应电流将导致更深的电流流动和表面下加热。因此，当使用C芯电感器时，没有邻近效应将允许沿小齿轮的锥形的更均匀的加热。当加热包括小齿轮的锥形齿轮时，本发明的使用C芯电感器用于低频加热相较使用螺管型感应线圈的更传统的加热具有重要的优点，但本发明并不限于仅加热那些类型的工件。
连贯的工件可被载入图4中所示的加热位置，其通过：用适当的机械传送系统降低可移动(顺着向下移动)芯段16b以移走变硬的工件；将尚未加热处理的工件插入适当位置；及提高可移动芯段使得尚未加热处理的工件被置于图4中所示的位置以进行加热处理。
在本发明的其它例子中，工件被定位在置中元件30之间，置中元件是图5中所示的C芯回路的一部分。置中元件提供在加热过程期间保持和旋转工件的手段。在本发明的该非限制性的例子中，中心被定位为通过C芯电感器。为减少置中元件的不合需要的加热，置中元件最好包括非磁性材料，如非磁性不锈钢。
图6所示为本发明感应加热装置的另一例子。在该方案中，提供可足够移动的C芯段16b以允许工件14垂直移动，从而工件可被带入HF螺管线圈12并从其移走以进行工件的LF感应加热，反之亦然。当工件不在图6中所示的HF螺管线圈内时(图6中“B”所指的LF加热位置)，可实现C芯回路的感应加热；当工件位于HF螺管线圈12内时(图6中“A”所指的HF加热位置)，HF磁场使工件被感应加热。
在本发明的其它例子中，如图7和图8中所示，双C芯电感器17，包括固定芯段17a、17b、17c和17d及可移动芯段17e和17f。每一C芯电感器可被提供以LF螺管线圈。作为图7中的非限制性例子，LF螺管线圈18a和18b分别环绕在固定芯段17a、17b周围。线圈18a和18b最好串联连接，但也可并联连接到适当的普通低频电流功率源(未在图中示出)。图7中的本发明实例还包括单独的上部和下部位置以分别用于LF和HF感应加热，如图6中所示的那样。
除了不是使用单独的LF和HF感应加热台以外，图8与图7相似，工件被定位在两个C芯之间并在HF螺管线圈中，使得，如果需要，可实现如先前结合图4所讨论的同时加热。
图9所示为本发明感应加热装置的另一例子。在该方案中，C芯电感器19包括芯段19a和19b，工件14a具有开口，如但不限于图9中所示的齿轮。LF螺管线圈18c环绕C芯电感器的一部分并被连到低频电流的功率源。HF螺管线圈12a(在该非限制性的例子中被示为单匝线圈)连到高频电流的功率源。LF螺管线圈18c中的低频电流的流动建立与C芯电感器耦合的磁场，之后，当工件14a通过其开口插入C芯电感器中时所述磁场与工件磁耦合，从而感应加热工件。HF螺管线圈12a中的高频电流的流动建立磁场，当工件被带入磁场附近范围内时，所述磁场与工件14a耦合以感应加热工件。低频和高频加热可被同时完成，或者通过或将工件从HF螺管线圈移走(仅低频加热)或仅向LF或HF螺管线圈之一施加功率而完成其中之一。C芯电感器的一段，在图9中被代表性地示为芯段19b，可以移动(由双头箭头表示)，以允许从C芯电感器移走工件。
在本发明的所有例子中，HF螺管线圈12和12a可被成形为不同于附图中所示的其它形状。在附图中，由于所使用的非限制性导电工件是小齿轮，HF螺管线圈采取了开口圆锥截面的形状以大致符合小齿轮的外形。在本发明的其它例子中，根据工件和所需要的感应加热模式，HF螺管线圈可以是不同的形状。例如，HF螺管线圈12的内周边可不平行于小齿轮的外径。根据具体的应用，如本领域技术人员所公知的且不背离本发明的范围，线圈12和工件表面之间的电磁耦合的变化可用作另外的控制热量分布的工具。
尽管在本发明的上述例子中螺管线圈用于HF感应线圈，其它类型的感应线圈也适于用在本发明中。例如，HF线圈可以是单脉冲或沟道导电型电感器，其中电流主要在纵向方向流动，这与螺管线圈感应的环向电流不同。
当使用于本发明中时，术语“低频”和“高频”是以最宽的意义进行使用，意为“高频”高于“低频”。典型地但非限制性地，“高频”将在30kHz到450kHz的优选范围内，而“低频”将在50Hz到20kHz的优选范围内。
当可移动芯段用于本发明的所有上述例子中时，在可能同时LF和HF感应加热的例子中(见图4、图5和图8)，C芯电感器可包括完全固定的C芯，同时提供用于移动HF螺管线圈12的装置，从而前进的工件可被插入C芯电感器的间隙内。
前述例子不限制所公开发明的范围。所公开发明的范围另外在所附权利要求中提出。
Claims (22)
1.用于工件的感应加热处理的装置，该装置包括：
至少部分环绕工件的感应线圈；
包括第一芯段和第二芯段的C芯电感器，工件布置在第一芯段和第二芯段之间的间隙中以与C芯电感器形成磁路；
卷绕在第一芯段的一部分周围的螺管线圈；
向感应线圈提供第一交流电流以在感应线圈周围引起第一交流磁场的第一电源，第一交流磁场与工件耦合从而感应加热工件；及
向螺管线圈提供第二交流电流以在磁路中引起第二交流磁场从而加热工件的第二电源，第二交流电流的频率低于第一交流电流的频率。
2.根据权利要求1的装置，还包括布置在工件和第一芯段之间的空间中或布置在工件和第二芯段之间的空间中的至少一磁通集中器。
3.根据权利要求1的装置，还包括用于移动第一或第二芯段的装置及用于将工件插入磁路和从磁路移走工件的装置。
4.根据权利要求1的装置，还包括当工件形成磁路的一部分时用于置中或旋转工件的装置。
5.根据权利要求1的装置，还包括用于垂直移动第二芯段(16b)以使工件(14)能垂直移动的装置，从而工件：在磁路因第二芯段(16b)的垂直移动而断开时定位在感应线圈(12)内，或在磁路因第二芯段(16b)的垂直移动而闭合时从感应线圈(12)内的位置移开。
6.根据权利要求1的装置，其中第一电源的频率在30kHz和450kHz之间，第二电源的频率在50Hz和20kHz之间。
7.用于工件的感应加热处理的装置，该装置包括：
至少部分环绕工件的感应线圈；
双C芯电感器，每一C芯电感器具有两个固定芯段，所述双C芯电感器包括一对可移动芯段，所述一对可移动芯段形成双C芯电感器 的每一C芯电感器的公共芯段，工件置于所述一对可移动芯段之间的间隙中使得工件与所述固定芯段和所述一对可移动芯段形成磁路；
卷绕在所述双C芯电感器的每一C芯电感器的两个固定芯段之一周围的螺管线圈；
向感应线圈提供第一交流电流以在感应线圈周围引起第一交流磁场的第一电源，第一交流磁场与工件耦合从而感应加热工件；及
向所述螺管线圈提供第二交流电流以在磁路中引起第二交流磁场从而加热工件的第二电源，第二交流电流的频率低于第一交流电流的频率。
8.根据权利要求7的装置，还包括布置在工件和所述一对可移动芯段中的任一芯段之间的空间中的至少一磁通集中器。
9.根据权利要求7的装置，还包括用于移动所述一对可移动芯段中的任一芯段的装置及用于将工件插入磁路和从磁路移走工件的装置。
10.根据权利要求7的装置，还包括当工件形成磁路的一部分时用于置中或旋转工件的装置。
11.根据权利要求7的装置，还包括用于垂直移动所述一对可移动芯段(17e、17f)以使工件(14)能垂直移动的装置，从而工件：在磁路因所述一对可移动芯段(17e、17f)的垂直移动而断开时定位在感应线圈(12)内，或在磁路因所述一对可移动芯段(17e、17f)的垂直移动而闭合时从感应线圈(12)内的位置移开。
12.根据权利要求7的装置，其中第一电源的频率在30kHz和450kHz之间，第二电源的频率在50Hz和20kHz之间。
13.加热工件的方法，包括步骤：
将工件至少部分放置在感应线圈内以使工件与感应线圈中流动的第一交流电流产生的第一交流磁场磁耦合从而感应加热工件；
自工件和至少一C芯电感器的第一和第二芯段形成至少一磁路；及
在卷绕在第一或第二芯段中的至少一个的一部分周围的至少一螺管线圈中提供第二交流电流以使至少一磁路与螺管线圈中流动的第二交流电流产生的第二交流磁场磁耦合从而加热工件，第一交流电流的频率大于第二交流电流的频率。
14.根据权利要求13的方法，还包括将至少一磁通集中器置于工件和第一芯段之间的空间中或置于工件和第二芯段之间的空间中的步骤，以使磁场形成在工件和第一芯段之间的空间中或工件和第二芯段之间的空间中。
15.根据权利要求13的方法，还包括旋转工件的步骤。
16.根据权利要求13的方法，还包括二者择一地通过第一交流电流或第二交流电流专门加热工件的步骤。
17.根据权利要求16的方法，其中二者择一地加热工件的步骤还包括垂直移动第二芯段(16b)以使工件(14)能垂直移动的步骤，从而工件：在磁路因第二芯段(16b)的垂直移动而断开时定位在感应线圈(12)内，或在磁路因第二芯段(16b)的垂直移动而闭合时从感应线圈(12)内的位置移开。
18.用于具有开口的工件的感应加热处理的装置，该装置包括：
至少部分环绕工件的感应线圈；
形成磁路的C芯电感器，工件通过其开口插在C芯电感器的一部分周围；
卷绕在C芯电感器的一部分周围的螺管线圈；
向感应线圈提供第一交流电流以在感应线圈周围引起第一交流磁场的第一电源，第一交流磁场与工件耦合从而感应加热工件；及
向螺管线圈提供第二交流电流以在磁路中引起第二交流磁场从而加热工件的第二电源，第二交流电流的频率低于第一交流电流的频率。
19.根据权利要求18的装置，其中C芯电感器包括第一芯段和第二芯段。
20.根据权利要求19的装置，还包括用于移动第一或第二芯段的装置及用于将工件插在C芯电感器的一部分周围和从该插入工件的地方移走工件的装置。
21.加热具有开口的工件的方法，包括步骤：
将工件至少部分放置在感应线圈内以使工件与感应线圈中流动的第一交流电流产生的第一交流磁场磁耦合从而感应加热工件；
将工件通过其开口插在C芯电感器中，C芯电感器形成磁路；及
在卷绕在C芯电感器的一部分周围的至少一螺管线圈中提供第二交流电流以使磁路与螺管线圈中流动的第二交流电流产生的第二交流磁场磁耦合从而加热工件，第一交流电流的频率大于第二交流电流的频率。
22.根据权利要求21的方法，还包括打开和闭合C芯电感器的步骤以将工件插入C芯电感器或从其移走。
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