ITTO20060468A1 - CONTEMPORARY HEATING DEVICE WITH INDUCTION OF COMPLEX GEOMETRY ELEMENTS, WITH SURFACE HARDENING PROFILE WITH CONSTANT DEPTH. - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto dal titolo: Patent description entitled:
“DISPOSITIVO DI RISCALDO CONTEMPORANEO AD INDUZIONE DI ELEMENTI A GEOMETRIA COMPLESSA, CON PROFILO DI INDURIMENTO SUPERFICIALE A PROFONDITÀ COSTANTE.” "CONTEMPORARY HEATING DEVICE WITH INDUCTION OF COMPLEX GEOMETRY ELEMENTS, WITH CONSTANT DEPTH SURFACE HARDENING PROFILE."
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente proposta riguarda un dispositivo per il riscaldo ad induzione di elementi a geometria complessa, al fine di eseguire una tempra localizzata in superficie ed ottenere un indurimento dell’elemento con profondità costante. La tipologia di elementi trattabili è molto ampia, in particolare il dispositivo può essere usato per trattare alberi di distribuzione per motori endotermici. Questi elementi sono detti anche alberi a camme, in quanto lungo l’asse longitudinale sono collocate delle camme, ciascuna delle quali comanda con la sua rotazione, tramite le punterie, il moto delle valvole di aspirazione e scarico ed i pistoni della pompa d’iniezione del combustibile. This proposal concerns a device for induction heating of elements with complex geometry, in order to perform a localized hardening on the surface and obtain a hardening of the element with constant depth. The typology of treatable elements is very wide, in particular the device can be used to treat timing shafts for endothermic engines. These elements are also called camshafts, as along the longitudinal axis there are cams, each of which controls with its rotation, through the tappets, the motion of the intake and exhaust valves and the pistons of the injection pump. fuel.
E’ necessario avere una durezza elevata in superficie, per resistere all’usura del contatto con le punterie, ed una buona resilienza al cuore del pezzo, per evitare fenomeni di rottura a fatica. It is necessary to have a high hardness on the surface, to resist wear from contact with the tappets, and a good resilience at the core of the piece, to avoid fatigue failure phenomena.
Questo può essere ottenuto tramite cementazione dell’elemento, in forni a camera, e successiva tempra; il procedimento risulta lungo e costoso, anche per la necessità di proteggere le zone dell’elemento che non devono essere trattate. This can be achieved by cementing the element, in chamber furnaces, and subsequent hardening; the procedure is long and expensive, also due to the need to protect the areas of the element that must not be treated.
Per questo motivo, nella pratica industriale è molto diffuso il trattamento di tempra ad induzione. For this reason, induction hardening treatment is widespread in industrial practice.
In generale, il procedimento di tempra ad induzione consiste nel posizionare l’elemento da trattare all 'interno di un induttore alimentato da un generatore di corrente alternata, di potenza e frequenza adatte all’applicazione. In general, the induction hardening process consists in placing the element to be treated inside an inductor powered by an alternating current generator of power and frequency suitable for the application.
Il campo magnetico alternato indotto nell’elemento genera a sua volta delle correnti indotte che, per effetto Joule, lo riscaldano. The alternating magnetic field induced in the element generates in turn induced currents which, due to the Joule effect, heat it.
Per valori della frequenza sufficientemente elevati, il riscaldamento risulta limitato alla parte superficiale dell’elemento. For sufficiently high frequency values, the heating is limited to the surface part of the element.
Al termine del riscaldamento, limitato a pochi secondi per impedire al calore di diffondersi al cuore dell’elemento, si effettua lo spegnimento tramite immersione o getto di liquido refrigerante. At the end of the heating, limited to a few seconds to prevent the heat from spreading to the heart of the element, it is switched off by immersion or jet of coolant.
Al fine di ottenere un profilo di tempra di profondità costante su tutto lo sviluppo angolare dell’elemento, è importante che tra esso e l’induttore vi sia un accoppiamento stretto, cioè che il profilo esterno dell’elemento ed il profilo interno dell’ induttore siano geometricamente simili ed il gioco tra i due sia mimmo. In order to obtain a constant depth hardening profile over the entire angular development of the element, it is important that there is a close coupling between it and the inductor, i.e. that the external profile of the element and the internal profile of the inductor are geometrically similar and the game between the two is minimal.
Nel caso di elementi a profilo circolare ciò è facilmente ottenibile, ed è anche possibile far ruotare l’elemento durante l’operazione per migliorare l’omogeneità del riscaldo. In the case of circular profile elements this is easily achieved, and it is also possible to rotate the element during the operation to improve the homogeneity of the heating.
Nel caso in esame, in cui gli elementi hanno un profilo con delle sporgenze più o meno rilevanti, ciò non è possibile; infatti, posizionando l’elemento dentro un induttore circolare, la parte sporgente sarà riscaldata più in profondità, anche con eventuale rotazione dell’elemento, ed avrà quindi una parte indurita più profonda. In the case in question, in which the elements have a profile with more or less relevant protrusions, this is not possible; in fact, by placing the element inside a circular inductor, the protruding part will be heated more deeply, even with possible rotation of the element, and will therefore have a deeper hardened part.
Le camme hanno profili complessi, diversi per ognuna di esse, non necessariamente simmetrici, al fine di trasmettere alle punterie il moto con la velocità ed accelerazione istantanee richieste dal ciclo di funzionamento di ciascuna valvola o pistone della pompa d’iniezione. The cams have complex profiles, different for each of them, not necessarily symmetrical, in order to transmit motion to the tappets with the instantaneous speed and acceleration required by the operating cycle of each valve or piston of the injection pump.
I profili delle varie camme, oltre ad essere diversi, sono anche sfasati in posizione angolare, secondo il ciclo di funzionamento dei vari cilindri del motore. The profiles of the various cams, in addition to being different, are also offset in angular position, according to the operating cycle of the various cylinders of the engine.
Da quanto esaminato si deduce quindi la necessità di adottare induttori col profilo simile a quello dell’ elemento da temprare. From what has been examined, we therefore deduce the need to adopt inductors with a profile similar to that of the element to be hardened.
Nel caso di più elementi posizionati in successione, diversi e sfasati, l’induttore deve essere apribile, perché non è possibile introdurre l’elemento con un movimento lungo l’asse quando l’induttore è chiuso. In the case of several elements positioned in succession, different and out of phase, the inductor must be openable, because it is not possible to introduce the element with a movement along the axis when the inductor is closed.
Al fine di aumentare la produttività, è opportuno trattare in contemporanea più elementi. In order to increase productivity, it is advisable to deal with several elements at the same time.
Lo scopo della presente proposta riguarda quindi un dispositivo adatto a riscaldare una parte dell’elemento, che comprende uno o più profili complessi, al fine di ottenere successivamente un profilo di indurimento a profondità costante. The purpose of this proposal therefore concerns a device suitable for heating a part of the element, which includes one or more complex profiles, in order to subsequently obtain a hardening profile at a constant depth.
Vedi Tavola 1, complessivo in vista laterale e pianta. See Table 1, overall in side view and plan.
Gli induttori, indicati in questo esempio come (1), (2), (3) e (4), sono assemblati in una struttura (5), la quale, oltre a posizionarli, contiene tutti i collegamenti per alimentare detti induttori con la corrente elettrica, l’acqua di raffreddamento ed il fluido per azionare i pistoni che li muovono. The inductors, indicated in this example as (1), (2), (3) and (4), are assembled in a structure (5), which, in addition to positioning them, contains all the connections to power said inductors with the electric current, the cooling water and the fluid to operate the pistons that move them.
Gli induttori sono costituiti da due parti: la parte (11) è fissa alla struttura (5) e la parte (10) è mossa dai pistoni (7); queste due parti, una volta poste a contatto meccanico ed elettrico tramite le superfici (12), costituiscono una spira chiusa avente alFintemo il profilo geometricamente simile al profilo (8) del particolare da riscaldare. The inductors are made up of two parts: the part (11) is fixed to the structure (5) and the part (10) is moved by the pistons (7); these two parts, once placed in mechanical and electrical contact by means of the surfaces (12), constitute a closed loop having an internal profile which is geometrically similar to the profile (8) of the part to be heated.
Vedi Tavola 1, complessivo e Tavola 2 , induttori chiusi ed aperti. See Table 1, overall and Table 2, closed and open inductors.
La metà (11) delFinduttore è costituita da due parti unite meccanicamente ma isolate elettricamente dalla superficie di contatto (13), costituita da materiale isolante, la quale si prolunga sino ad isolare elettricamente i due collettori a bandella (15), fissi rispetto alla struttura (5). The half (11) of the inductor consists of two parts mechanically joined but electrically insulated from the contact surface (13), made up of insulating material, which extends to electrically insulate the two strip collectors (15), fixed with respect to the structure (5).
I pistoni (7), uno per ciascun induttore, permettono di riscaldare anche solo alcuni dei profili, lasciando eventualmente aperti ed inattivi gli induttori in corrispondenza dei profili che non si vogliono trattare oppure non esistono in quel tipo di elemento. The pistons (7), one for each inductor, allow to heat even just some of the profiles, possibly leaving the inductors open and inactive in correspondence with the profiles that are not to be treated or do not exist in that type of element.
Detti pistoni possono essere azionati idraulicamente oppure ad aria, nel caso non sia richiesta una forza di chiusura elevata. Said pistons can be operated hydraulically or by air, if a high closing force is not required.
Nel caso lo spazio a disposizione lo consenta, possono essere impiegati, in alternativa, degli attuatori elettromeccanici, ad esempio viti a ricircolazione di sfere. If the space available allows it, electromechanical actuators, for example ball screws, can be used as an alternative.
II movimento dei semi-induttori (10) è guidato da due steli (14), dotati di boccole autolubrificanti. The movement of the semi-inductors (10) is guided by two rods (14), equipped with self-lubricating bushings.
Tra F estremità degli steli ed i semi-induttori (10), sono interposti degli elementi elastici, ad esempio molle a tazza, che assiemano in ogni caso la corretta chiusura della spira, anche in presenza di elementi inquinanti o giochi meccanici. Elastic elements, for example cup springs, are interposed between the ends of the stems and the semi-inductors (10), which in any case assemble the correct closure of the coil, even in the presence of polluting elements or mechanical play.
L’apertura del gruppo di induttori avviene grazie a due movimenti, Vedi Tavola 1 e Tavola 2, FIG. A, induttori chiusi; The opening of the group of inductors takes place thanks to two movements, See Table 1 and Table 2, FIG. A, closed inductors;
- FIG B, apertura verso sinistra dei semi-induttori (10), eventualmente anche singolarmente, grazie ai pistoni (7); - FIG B, opening towards the left of the semi-inductors (10), possibly also individually, thanks to the pistons (7);
- FIG C, traslazione orizzontale verso destra di tutta la struttura (5), e quindi di tutti i semi-induttori (11) contemporaneamente. - FIG C, horizontal translation to the right of the whole structure (5), and therefore of all the semi-inductors (11) at the same time.
Quando l’induttore è in posizione aperta, permette il movimento verticale dell’albero da trattare; When the inductor is in the open position, it allows the vertical movement of the shaft to be treated;
quando l’induttore è in posizione chiusa, il suo profilo interno coincide col profilo esterno (8) dell’elemento da trattare. when the inductor is in the closed position, its internal profile coincides with the external profile (8) of the element to be treated.
In alternativa, il moto di apertura della spira può avvenire secondo la soluzione costruttiva illustrata nella Tavola 3. Alternatively, the opening motion of the loop can take place according to the constructive solution illustrated in Table 3.
Secondo questa soluzione, i due gruppi di semi-induttori (10) e (11), specularmene simili, sono entrambe mobili ed azionati ciascuno da un gruppo distinto di pistoni; la chiusura della spira è data dal contatto dei due semi-induttori direttamente attraverso la superficie (12) ed indirettamente attraverso i due collettori a bandella (15), fissi rispetto alla struttura (5). According to this solution, the two groups of semi-inductors (10) and (11), similar to each other, are both movable and each driven by a distinct group of pistons; the closing of the loop is given by the contact of the two semi-inductors directly through the surface (12) and indirectly through the two strip manifolds (15), fixed with respect to the structure (5).
Il ciclo totale di trattamento si può così riassumere: The total treatment cycle can be summarized as follows:
- posizionamento dell’albero in verticale tra due contropunte; - positioning of the shaft vertically between two tailstocks;
- movimento verticale dell’albero sino a posizionare i primi profili da trattare, posti nell’estremità inferiore dell’albero, in corrispondenza della struttura (5); - traslazione orizzontale di tutta la struttura (5), sino a posizionarsi presso i semi-induttori (11) ; - vertical movement of the shaft until the first profiles to be treated are positioned, placed in the lower end of the shaft, in correspondence with the structure (5); - horizontal translation of the whole structure (5), until it is positioned near the semi-inductors (11);
- chiusura del gruppo semi-induttori (10), tramite i pistoni (7), lasciando eventualmente aperti ed inattivi gli induttori in corrispondenza dei profili che non si vogliono trattare; - closing of the semi-inductors group (10), by means of the pistons (7), possibly leaving the inductors open and inactive in correspondence with the profiles that are not to be treated;
- riscaldo del particolare, con eventuale rotazione; - heating of the part, with possible rotation;
- apertura del gruppo semi-induttori (10); - opening of the semi-inductor group (10);
- traslazione di tutta la struttura (5), per allontanarsi dai semi-induttori (11) e permettere il successivo movimento; - translation of the whole structure (5), to move away from the semi-inductors (11) and allow the subsequent movement;
- movimento verticale dell’albero sino a posizionare i profili riscaldati in corrispondenza della doccia di spegnimento o dentro la vasca; - vertical movement of the shaft until the heated profiles are positioned in correspondence with the shutdown shower or inside the tub;
- ripresa del ciclo sui profili da trattare successivamente. - resumption of the cycle on the profiles to be treated subsequently.
In alternativa, secondo la soluzione costruttiva illustrata nella Tavola 3, il movimento della struttura (5) e dei semi-induttori (10) è sostituito dal moto simmetrico dei semi-induttori (10) e (11) rispetto ai due collettori a bandella (15), fissi alla struttura (5). Alternatively, according to the constructive solution illustrated in Table 3, the movement of the structure (5) and of the semi-inductors (10) is replaced by the symmetrical motion of the semi-inductors (10) and (11) with respect to the two strip collectors ( 15), fixed to the structure (5).
Ciascun induttore può essere alimentato con potenze e frequenze diverse, nel caso di notevoli differenze di forma o profondità di indurimento desiderate sui vari profili. Each inductor can be powered with different powers and frequencies, in the case of significant differences in shape or depth of hardening desired on the various profiles.
La presente proposta si caratterizza, rispetto ai dispositivi già noti per il riscaldo ad induzione, per il seguenti punti: This proposal is characterized, compared to the devices already known for induction heating, for the following points:
- costanza della profondità di indurimento anche su elementi con geometria complessa, grazie al profilo particolare dell’induttore; - constancy of the hardening depth even on elements with complex geometry, thanks to the particular profile of the inductor;
- possibilità di trattare in contemporanea più zone diverse dell’elemento, con profili diversi e profondità di indurimento diverse, grazie alla possibilità di alimentare gli induttori con potenze e frequenze diverse; - possibility of treating several different areas of the element at the same time, with different profiles and different hardening depths, thanks to the possibility of powering the inductors with different powers and frequencies;
- semplicità e rapidità di attrezzaggio dell’impianto, grazie ai collegamenti elettrici, idraulici e fluidici attestati sulla struttura portante. - simplicity and speed of plant tooling, thanks to the electrical, hydraulic and fluidic connections on the supporting structure.
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