JP2007327128A - High-frequency induction heating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波誘導加熱装置に関し、更に詳しくは、互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを17mm〜22mm幅の幅狭の軸部の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを前記軸部に追従させながら、前記軸部を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置に関する。また、本発明は、例えば、小型エンジンのクランクシャフトのピン部のように幅狭の寸法の軸部に高周波焼入を行うための高周波誘導加熱コイル及びそれを保持する側板を備える高周波誘導加熱装置に関し、特に、設定電圧の低減並びに加熱時間や出力の低減を図ることができ、所望の焼入硬化層を安定して形成することができ、耐久性の向上を図ることができる高周波誘導加熱装置に関する。 The present invention relates to a high-frequency induction heating device, and more specifically, a semi-open saddle type high-frequency induction heating coil disposed between a pair of side plates facing each other with a gap on a narrow shaft portion having a width of 17 mm to 22 mm. The high-frequency induction heating apparatus is configured to perform high-frequency induction heating of the shaft portion while causing the semi-open saddle type high-frequency induction heating coil to follow the shaft portion. The present invention also provides a high-frequency induction heating apparatus including a high-frequency induction heating coil for performing high-frequency quenching on a narrow shaft portion such as a pin portion of a crankshaft of a small engine, and a side plate that holds the high-frequency induction heating coil. In particular, a high-frequency induction heating apparatus that can reduce the set voltage and reduce the heating time and output, can stably form a desired hardened and hardened layer, and can improve durability. About.
図5(a),(b)は、例えばクランクシャフトのピン部P(図5a及び図8参照)の如き軸部を焼入処理する高周波焼入機構に一般に使用されている高周波誘導加熱装置1’における加熱コイルまわりの構造を示すものである。図5(a)、(b)に示すように、この高周波誘導加熱装置1’は、冷却水流通用中空部を有するパイプ材から成る半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2と、これに連結される給電用リード導体3a,3bと、この給電用リード導体3a,3bと高周波電源(図示せず)とを互いに連結する接続端子(ブロック)4a,4bと、高周波誘導加熱コイル2等に冷却水を送る冷却水供給用導管5と、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2を例えば図外のクランクシャフト(加熱対象としてのワーク)のピン部に僅かな隙間を隔てて載置するためのセラミック製又は超硬合金製のチップ6a,6b,6c等を備えており、これらの部材は、互いに平行状に対向配置された一対の側板7a,7b間に保持されて設置されている。かくして、一対の側板7a,7b間に設置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2がチップ6a〜6cを介してクランクシャフトのピン部に僅かな隙間を隔てて載置された状態の下で、図外の追従機構により、クランクシャフトの軸線を中心に回動されているピン部P(軸部)に追従移動され、この間にピン部Pの外周面が高周波誘導加熱されるように構成されている。
5 (a) and 5 (b) show a high-frequency
この場合、図外の高周波電源から高周波誘導加熱コイル2へ供給される或る瞬時の電流は、図6において矢印A,Bで示す如く、電源側から進み側の給電用リード導体3aから一連の高周波誘導加熱コイル2(コイル部分2a,2bを含む)に導入され、それに連続する戻り側の給電用リード導体3bに進み、電源側に送られる。なお、次の瞬間には、これとは逆の方向に電流が流れる。しかしながら、本明細書においては、説明の簡単化のために、便宜上、ある瞬時の一対の給電用リード導体3a,3bのうちの一方の給電用リード導体3aを「進み側」と称し、その他の方給電用リード導体3bを「戻り側」と称することとする。
In this case, as shown by arrows A and B in FIG. 6, a certain instantaneous current supplied from a high-frequency power supply (not shown) to the high-frequency
一方、クランクシャフトのピン部Pには、図4において示す如くピン部Pの軸線Bに沿う横方向において寸法Lであってかつ前記軸線Bに直交する深さ方向の寸法Tの範囲に焼入硬化層Sを形成することが必要であるが、例えば、ピン幅寸法が18mm程度の幅狭のピン部Pの場合には、この焼入硬化層Sを正確に形成するためには色々な工夫が必要であり、そのために従来では図8に示すような半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2用のパイプ材8a,8bを使用していた。
On the other hand, the pin portion P of the crankshaft is hardened in a range of a dimension T in the depth direction perpendicular to the axis B and having a dimension L in the lateral direction along the axis B of the pin part P as shown in FIG. It is necessary to form the hardened layer S. For example, in the case of a pin portion P having a narrow pin width dimension of about 18 mm, various devices are used to accurately form the hardened hardened layer S. Therefore, conventionally,
図8に示したパイプ材8a,8bは互いに連続して接続されて相対向して配置され、かつ、同一の断面寸法形状の一対のものから成り、例えば、ピン部Pの横寸法が18mmの場合には、図8に示す如き寸法のものが採用されている。これらのパイプ材8a,8b(コイル部分)は、横寸法が5mmで縦寸法が9mmのものから成り、パイプ材8a,8bの外周の一部(ピン部Pに対向する部分α,βを除く全体部分)は、加熱効率の向上を図るべく磁束集中用の珪素鋼板9a,9bにより被包されている。この珪素鋼板9a,9bは電流の流れを効率的に行うためのものであり、通常の高周波誘導加熱コイル用のパイプ材8a,8bには使用されている。なお、図8のようにパイプ材8a,8bを被包する珪素鋼板9a,9bの横方向(軸線Cに沿う方向)の間隔は、例えば1mmに設定され、互いに対向する一対のパイプ材(コイル部分)8a,8bの間の間隔は、パイプ材8a,8bの横寸法(5mm)よりも狭く設定されている。
The
下記の表1は、図6及び図8に示した半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2によりクランクシャフトのピン部Pを高周波誘導加熱して急冷することにより焼入処理を施した場合の実験結果を示すものである。
Table 1 below shows the experimental results in the case where the quenching treatment was performed by high-frequency induction heating and rapid cooling of the pin portion P of the crankshaft by the semi-open saddle type high-frequency
上記の表1に示すように、設定電圧が450V〜510Vの場合には、加熱時間を10sec〜12secかけて出力を57.5kW〜82.4kWとしても、形成された焼入硬化層が深さ及び範囲とも測定不可なものであった(テスト1〜7参照)。一方、条件として設定電圧を520V、加熱時間を15sec、出力を84.0kWにした場合(テスト8参照)には、図7に示すような焼入硬化層S1(クランクシャフトのジャーナル部の軸線(図示せず)に対して相対的に遠い側のトップ部分)及び焼入硬化層S2(クランクシャフトのジャーナル部の軸線(図示せず)に対して相対的に近い側のボトム部分)に測定可能な焼入硬化層が得られたが、この焼入硬化層S1,S2では不十分のもの(不均一で浅い焼入硬化層)であった。図4に示すような理想的な焼入硬化層Sを形成するには更に設定電圧、加熱時間及び出力を上げる必要があって、高電力消費が必要となり、高周波誘導加熱コイル本体の破損の問題が生じる上に、加熱時間が長くなって生産性が低下するという問題点がある。なお、上述の如く不十分な焼入硬化層S1,S2となるのは、互いに対向するパイプ材8a,8bの間隔が狭く、その間隔部分で磁束の相殺が大きく生じてしまうからである。
As shown in Table 1 above, when the set voltage is 450 V to 510 V, the formed hardened layer has a depth even if the heating time is 10 sec to 12 sec and the output is 57.5 kW to 82.4 kW. In addition, both the range and the range were not measurable (see
また、上記の条件で高周波誘導加熱(高周波焼入)を続行すると、図6に示すように側板7a,7bの特定箇所に溶解部W(最悪の場合には溶融穴10)が生じてしまい、不良品となる場合がある。因みに、この溶解部Wは、図5(a),(b)において符号γで示す箇所に主として形成される。この箇所γは、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2の進み側の給電用リード導体3aと戻り側の給電用リード導体3bとが最も近接する位置或いはその近傍位置である。それは、その箇所γが図5(a)に示す如く給電用リード導体の進み側部分と戻り側部分とが最も近接する位置であって、かつ、図5(b)に示す如く進み側の給電用リード導体3a及び戻り側の給電用リード導体3bとが側面視で側板7a,7b間の幅方向において互に重なり合う配置状態となって、これらの給電用リード導体3a,3bと側板7a,7bとの間の間隔が最も狭くなる箇所(他の部分よりも狭くなる箇所)であるため、これらの間の高周波誘導作用が最も大きくなって当該部分が他の部分より一般に高熱となり、溶解部Wが最も発生し易い場所だからである。なお、このような溶解部Wが生じるような場合には、この溶解部Wが生じる分だけ高周波電力の損失が生じていることとなり、高周波誘導加熱の効率低下を招く結果となる。
Further, when high frequency induction heating (high frequency quenching) is continued under the above conditions, a melting portion W (
本発明は、上述の如き問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル部分並びにこれを被包する珪素鋼材の全体形状を変化させずに、幅狭の軸部(例えば、クランクシャフトのピン部等)に対応でき、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルの使用が可能であり、しかも一対の側板に溶解部が生じるのを防止し得て、電力損失の発生ひいては加熱効率の低下を来たすような不具合を回避することができるような構成の幅狭の軸部の高周波誘導加熱装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems as described above, and its purpose is to change the coil portion of the semi-open saddle type high frequency induction heating coil and the overall shape of the silicon steel material enclosing it. It is possible to use a narrow shaft portion (for example, a pin portion of a crankshaft), a semi-open saddle type high frequency induction heating coil having an existing structure can be used, and a melted portion is generated on a pair of side plates. It is an object of the present invention to provide a high-frequency induction heating apparatus having a narrow shaft portion that can be prevented and avoids problems such as generation of power loss and thus reduction in heating efficiency.
上述の目的を達成するために、本発明では、互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを加熱対象である17mm〜22mm幅の幅狭の軸部の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを前記軸部に追従させながら、前記軸部を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置において、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのうち、互いに平行状に対向配置されると共に前記軸部の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分の間の対向間隔を、前記一対のコイル部分の対向方向に沿う長さ寸法より幅広に設定するようにしている。
また、本発明では、前記軸部の幅寸法が18mmの場合において、前記一対のコイル部分の対向方向の全体幅が13mmであり、前記コイル部分の横幅寸法が4mmであり、前記コイル部分の縦寸法が8mmであり、前記一対のコイル部分の間の間隔が5mmであるようにしている。
また、本発明では、前記コイル部分の外周の一部を珪素鋼材により被包するようにしている。
また、本発明では、前記珪素鋼材により被包される前記コイル部分の外周の一部は、前記軸部に対向する面を除く全体部であるようにしている。
また、本発明では、前記高周波誘導加熱コイル、並びに、前記高周波誘導加熱コイルに連結された給電用リード導体を保持する前記側板の一部分であって、かつ、進み側の給電用リード導体と戻り側の給電用リード導体とが最も近接する位置又はその近傍位置に貫通孔を形成するようにしている。
In order to achieve the above-mentioned object, in the present invention, a semi-open saddle type high frequency induction heating coil disposed between a pair of side plates facing each other is placed on a narrow shaft portion having a width of 17 mm to 22 mm which is a heating target. In the high-frequency induction heating apparatus in which the shaft portion is subjected to high-frequency induction heating while the semi-opened saddle type high-frequency induction heating coil is made to follow the shaft portion under a state of being placed with a gap therebetween, the half-opening Among the saddle type high frequency induction heating coils, the facing distance between a pair of coil portions having the same width is disposed opposite to and parallel to the heated surface of the shaft portion. The coil portion is set wider than the length dimension along the facing direction of the coil portion.
In the present invention, when the width dimension of the shaft portion is 18 mm, the overall width in the facing direction of the pair of coil portions is 13 mm, the lateral width dimension of the coil portions is 4 mm, and the vertical length of the coil portions is The dimension is 8 mm, and the distance between the pair of coil portions is 5 mm.
In the present invention, a part of the outer periphery of the coil portion is encapsulated with a silicon steel material.
Moreover, in this invention, a part of outer periphery of the said coil part encapsulated by the said silicon steel material is made to be the whole part except the surface facing the said axial part.
In the present invention, the high-frequency induction heating coil and a part of the side plate holding the power-feeding lead conductor connected to the high-frequency induction heating coil, and the lead-side power feeding lead conductor and the return side A through hole is formed at a position closest to or near the power supply lead conductor.
請求項1に記載の本発明は、半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのうち互いに平行状に対向配置されると共に軸部の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分の間の対向間隔を、一対のコイル部分の対向方向に沿う長さ寸法より幅広に設定するようにしたものであるから、一対のコイル部分の間の間隔を極力広げこれをコイル部分の横幅寸法(軸部の軸線方向に沿う幅寸法)よりも大きくすることにより、相対向する一対のコイル部分間の干渉(磁束の相殺)を抑制し得て電力損失の低減を図ることはでき、結果として低電力、短加熱時間で所望の焼入硬化層を安定して形成することが可能となる。また、半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル部分並びにこれを被包する珪素鋼材の全体形状を変化させずに、幅狭の軸部(例えば、クランクシャフトのピン部等)に対応でき、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルの使用が可能である。
The present invention according to
また、請求項2に記載の本発明は、軸部の幅寸法が18mmの場合(幅狭の軸部の場合)において、一対のコイル部分の対向方向の全体幅が13mmであり、コイル部分の横幅寸法が4mmであり、コイル部分の縦寸法が8mmであり、一対のコイル部分の間の間隔が5mmであるようにしたものであるから、軸部の寸法を上記の如く限定した場合において規準の構造のコイル部分(例えば、パイプ材)を用いることにより、最も幅狭の軸部に対して上記の如き作用効果を効率良く奏することができることが実験により確かめられた。 According to the second aspect of the present invention, when the width of the shaft portion is 18 mm (in the case of a narrow shaft portion), the overall width in the facing direction of the pair of coil portions is 13 mm. Since the width dimension is 4 mm, the vertical dimension of the coil part is 8 mm, and the distance between the pair of coil parts is 5 mm, the standard is used when the dimension of the shaft part is limited as described above. By using a coil portion (for example, a pipe material) having the structure described above, it has been confirmed by experiments that the above-described effects can be efficiently achieved with respect to the narrowest shaft portion.
また、請求項3に記載の本発明は、コイル部分の外周の一部を珪素鋼材により被包するようにしたものであるから、被加熱部への磁束の集中を行なうことができて、高周波誘導加熱の一層の効率化を図ることができ、ひいては所望の焼入硬化層を形成することが可能となる。
Further, in the present invention according to
また、請求項4に記載の本発明は、珪素鋼材により被包されるコイル部分の外周の一部は、軸部に対向する面を除く全体部であるようにしたものであるから、高周波誘導加熱のより一層の効率化を図り得て、所望の焼入硬化層を確実に形成することが可能となる。 Further, in the present invention according to claim 4, since a part of the outer periphery of the coil part encapsulated by the silicon steel material is the whole part excluding the surface facing the shaft part, It is possible to further increase the efficiency of heating and to reliably form a desired hardened layer.
また、請求項5に記載の本発明は、高周波誘導加熱コイル、並びに、高周波誘導加熱コイルに連結された給電用リード導体を保持する側板の一部分であって、かつ、給電用リード導体の進み側部分と戻り側部分とが最も近接する位置又はその近傍位置に貫通孔を形成したものであるから、側板の所定位置に貫通孔が存在するため、この貫通孔の形成部位に高熱が発生することがなくなり、側板における溶解部の発生を確実に防止することができ、ひいては高周波誘導加熱装置の耐久性の向上を図ることができる。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a high frequency induction heating coil and a part of a side plate for holding a power supply lead conductor connected to the high frequency induction heating coil, and a lead side of the power supply lead conductor. Since the through hole is formed at a position where the part and the return side part are closest to each other or at a position near the position, there is a through hole at a predetermined position of the side plate, so that high heat is generated at the formation part of the through hole. Therefore, the generation of the melted portion in the side plate can be reliably prevented, and as a result, the durability of the high-frequency induction heating device can be improved.
以下、本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱装置1について図1〜図4を参照して説明する。なお、本実施形態の高周波誘導加熱装置1は、図5(a),(b)に示すものと同様の型式の装置であって、互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2を加熱対象である17mm〜22mm幅の幅狭の軸部14の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2を軸部14(クランクシャフトのピン部P)に追従させながら、前記軸部14を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置である。従って、図1〜図4において図5〜図9に示す部分と同様の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
Hereinafter, the high frequency
本実施形態における高周波誘導加熱装置1(図1参照)に用いられる高周波誘導加熱コイル2は、図2に示すように、互いに対向して平行状に延びる一対のコイル部分2a,2bに珪素鋼材9a,9bを被包して成るものであって、冷却液流通用の中空部12を有する矩形断面のパイプ材8a,8bから成るものである。本実施形態の高周波誘導加熱コイル2は、軸線に沿う寸法が18mmの幅狭の軸部(例えば、クランククシャフトのピン部P)14を高周波誘導加熱するのに適用されるものであるが、軸部14の寸法がこれとは相違する場合においても本例とほぼ同様の全体形態を有するものを採用することが可能であり、その詳細寸法は実験的に決めるのが望ましい。この場合、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2の使用が可能である。
As shown in FIG. 2, the high frequency
本実施形態にあっては、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2のうち互いに平行状に対向配置されると共に軸部14の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分2a,2bの間の対向間隔L1が5mmに設定され、一対のコイル部分2a,2bの対向方向に沿う長さ寸法L2(4mm)より幅広に設定されている。具体的には、軸部14の幅寸法が18mmの場合において、コイル部分2a,2bの横幅寸法L2がそれぞれ4mmであり、コイル部分2a,2bの縦寸法L3が8mmであり、これら一対のコイル部分2a,2bの間の間隔L1が5mmである。ここで、L1>L2としているのは、一対のコイル部分2a,2b間の間隔をできるだけ広げてこれらの間における磁束の相殺を回避するためである。また、コイル部分2a,2bの一部(本実施形態にあっては、軸部14に対向する面2c,2dを除く全体部)が珪素鋼材9a,9bにより被包されるが、相対向する珪素鋼材9a,9bの横方向の隙間L4は1mmに設定されている(図2参照)。
In the present embodiment, a pair of coil portions having equal widths that are disposed opposite to each other in parallel with each other and are opposed to the surface to be heated of the
一方、本実施形態の高周波誘導加熱装置1に用いられている一対の側板7a,7bには、図1及び図3に示すように、特定の箇所γ、すなわち、進み側の給電用リード導体3aと戻り側の給電用リード導体3bとが最も近接する位置であって、かつ、給電用リード導体3a,3bと側板7a,7bとの間の間隔が最も狭くなる箇所γ(本来的に最も高熱となる場所)に対応する部分に、貫通孔15がそれぞれ予め形成されている。
On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 3, the pair of
上述のような構成の高周波誘導加熱装置1により軸部14を高周波誘導加熱して焼入処理を施した場合の焼入硬化層Sの形成状態を下記の表2に示す。
Table 2 below shows the formation state of the hardened and hardened layer S when the
上記の表2に示すように、設定電圧300V又は350Vで加熱時間を8secから10secかけ、出力を27.0kw〜36.5kwとして図2に示した半開放鞍型高周波誘導加熱コイル2を用いて高周波誘導加熱を行って焼入処理を行ったところ、表2のように深さ及び範囲とも、夫々、所望値に近い又は所望値通りの結果を得ることができた。これにより、図2に示す高周波誘導加熱コイル2を表2の条件で寸法が18mmの軸部14に適用することにより、図4に示すような良好な焼入硬化層Sを形成することができることが確認された。なお、下記の表3は本発明と従来技術とを比較するために行った実験結果を示す。
As shown in Table 2 above, using the semi-open saddle type high frequency
表3に示すように、本発明テスト(a)の場合は設定電圧が300Vで加熱時間が8.0secで出力が27.0kVであり、及び本発明テスト6(b)の場合は設定電圧が350Vで加熱時間が8.0secで出力が34.0kVであるに対して、従来テスト1(c)では設定電圧450Vで加熱時間が10.0secで出力を57.5kw、従来テスト8(d)では設定電圧520Vで加熱時間が15secで出力を84.0kw投入しても、形成される焼入硬化層の形状は本発明の方が所望のものと同じであり、かつ安定して形成されるに対して、従来技術のものは所望値を満足するものを安定的に形成することができないことがわかった。また、側板7a,7bについては貫通孔15の存在により、本発明のものは溶解部が全く発生しなかった。
As shown in Table 3, in the case of the present invention test (a), the set voltage is 300 V, the heating time is 8.0 sec, the output is 27.0 kV, and in the case of the present invention test 6 (b), the set voltage is Compared to 350V, the heating time is 8.0 sec, and the output is 34.0 kV. In the conventional test 1 (c), the output is 57.5 kw when the heating time is 10.0 sec at the set voltage 450V, and the conventional test 8 (d). Then, even if the heating time is 15 sec at a set voltage of 520 V and the output is 84.0 kw, the shape of the hardened and hardened layer to be formed is the same as the desired one in the present invention, and is formed stably. On the other hand, it has been found that the conventional technology cannot stably form a material satisfying the desired value. Further, due to the presence of the through
以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、記述に実施形態では 18mm幅の軸体(ピン部)について述べたが、本発明は、17mm〜22mm幅の幅狭の軸部についての高周波誘導加熱に適用可能である。また、既述の実施形態において例示したコイル部分2a,2bの断面形状や断面寸法等に限定されるものではなく、さらにコイル部分2a,2bはパイプ材8a,8bではなく中空部のない無垢の導体であっても良い。また、側板7a,7bに形成する貫通孔15の形状は上下両端が半円弧状の長手孔に限らず、長方形状や正方形状などの各種形状のものであってもよい。また、珪素鋼材9a,9bの寸法及び形状は、互いに同一でなくてもよく、例えば図9(a),図9(b)及び図9(c)に示す如く、必要に応じて全体寸法及び各部の寸法を適宜に変更して所望の焼入硬化層を得るようにすることが可能である。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention. For example, in the description, the shaft body (pin part) having a width of 18 mm is described in the embodiment, but the present invention is applicable to high-frequency induction heating for a narrow shaft part having a width of 17 mm to 22 mm. Further, the
1 高周波誘導加熱装置
2 高周波誘導加熱コイル
3 給電用リード導体
3a 進み側の給電用リード導体
3b 戻り側の給電用リード導体
7a,7b 側板
8a,8b パイプ材
9a,9b 珪素鋼材
14 軸部
15 貫通孔
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- 2006-06-09 JP JP2006161088A patent/JP2007327128A/en active Pending
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CN106544476A (en) * | 2016-11-24 | 2017-03-29 | 上海纳铁福传动系统有限公司 | A kind of inductor for accessory inner surface quenching |
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