KR101090659B1 - 유도 가열 경화를 위한 장치 - Google Patents

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마쉬넨파브릭 알핑 케슬러 게엠베하
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Abstract

본 발명에 따르면, 원형 단면을 갖는 구성 요소(2)의 유도 가열 경화를 위한 장치(1)는 경화될 구성 요소(2)의 주연의 일부를 따라 배열된 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)를 갖는다. 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5) 중 적어도 하나의 절반-외피부는 전류가 흐르는 단지 하나의 인덕터 세그먼트(6)를 갖는다.
유도 가열 경화를 위한 장치, 인덕터 절반-외피부, 크랭크샤프트, 인덕터 세그먼트

Description

유도 가열 경화를 위한 장치{DEVICE FOR INDUCTION HARDENING}
본 발명은 경화될 구성 요소의 주연의 일부를 따라 2개의 인덕터 절반-외피부를 구비한, 원형 단면을 갖는 구성 요소 특히 크랭크샤프트의 유도 가열 경화를 위한 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 유형의 장치가 종래 기술로부터 공지되어 있다. 이들 장치에 의해, 예컨대 크랭크샤프트는 그 외부층에서 경화되는데, 정확히 말하자면 경화될 구성 요소에 2개의 인덕터 절반-외피부가 근접 안내되고 상기 구성 요소가 인덕터 절반-외피부들 사이에서 회전하게 된다. 이어서, 전류가 인덕터 절반-외피부의 인덕터 세그먼트를 통해 인가되며, 그에 의해 경화될 구성 요소는 가열된다. 구성 요소는 구성 요소의 재료에 따라 중합체 수용액 또는 오일로 처리되는 담금질 후, 특정 경도의 구성 요소가 얻어진다.
공지된 장치는 각각의 인덕터 절반-외피부에 대해 2개의 인덕터 세그먼트를 포함하며, 상기 세그먼트는 각각 2개의 인덕터 절반-외피부에 의해 경화될 구성 요소의 실질적인 합동 가열을 유도한다. 이러한 이유로, 경화된 구성 요소의 경화 영역은 매우 불균질하고 중앙에서 오목부 또는 "움푹 들어간 부분(dent)"을 갖는 구성 요소의 특정 형상 때문에 "도그 본(dog bone)"으로도 불린다. 경화 영역의 이러한 불균질한 형태 때문에, 충분한 경화 깊이가 경화 공정에서 도달된 것인지를 확인하기가 실제의 사용에서는 매우 어렵다. 경화 영역의 깊이는 경화 영역의 폭으로부터 어떤 정도까지 추정될 수 있지만, 더욱 정확한 추정이 경화 영역의 중앙에서의 현저한 오목부 때문에 극히 중요한 것으로 여겨질 수 있다. 따라서, 경화 깊이가 측정될 수 있도록 실제로는 비교적 빈번한 시간 간격으로 경화 영역을 절단할 필요가 있다. 그러나, 이러한 절차는 한편으로는 매우 번거롭고 다른 한편으로는 항상 경화될 구성 요소의 파괴를 가져온다.
전술된 문제들은 현대의 크랭크샤프트의 경우에서 더욱 빈번한 바와 같이 특히 경화될 지지 위치가 매우 작은 축 방향 치수를 갖는 크랭크샤프트의 경우에 불리하다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 경화 영역의 더욱 균질한 형태가 달성될 수 있고 공정의 신뢰성이 더욱 커질 수 있는 원형 단면을 갖는 구성 요소 특히 크랭크샤프트의 유도 가열 경화를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 상기 목적은, 2개의 인덕터 절반-외피부 중 적어도 하나의 절반-외피부가 단지 하나의 전류가 흐르는 인덕터 세그먼트를 포함함으로써 달성된다.
본 발명에 따라 2개의 인덕터 절반-외피부 중 적어도 하나가 하나의 인덕터 세그먼트를 포함함으로써, 경화될 구성 요소에서 매우 균질한 경화 영역이 달성되며, 이때 중앙의 오목부의 생성은 방지될 수 있다. 이러한 더욱 균질한 경화 영역에 의해, 경화 영역의 측면 간격으로부터 구성 요소의 모서리까지, 즉 경화 영역의 폭에 의해 경화 영역의 깊이가 추정 가능하며, 이로써 비용이 많이 드는 측정 방법을 피할 수 있다.
추가의 장점은 비교적 큰 측면 간격 그리고 그에 따른 비교적 협소한 경화 영역에도 경화 영역의 깊이가 충분하거나 신뢰 가능하게 달성되고 이로써 공정 안정성이 향상되므로, 대개 고객에 의해 사전 설정되는 경화 영역의 측면 간격의 공차가 훨씬 양호하게 활용될 수 있다는 것이다. 결과적으로, 본 발명에 따른 장치는 장기간에 걸쳐 사용될 수 있으며, 구성 요소의 가열을 담당하는 전류가 흐르는 인덕터 세그먼트가 닳아서 교체하는 것이 더 이상 자주 요구되지 않는다. 인덕터 세그먼트의 사전 설정 및 검사에 대한 요구는 이에 상응하게 감소된다. 이러한 공정상의 여유에 의해, 경화될 구성 요소에 대한 측정이 수행되는 시간 간격도 유리하게 늘어날 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 장치로써, 비교적 정확하게 한정된 양의 열이 구성 요소 내로 유입되며, 그에 의해 경화 후에 대개 요구되는 구성 요소의 뜨임은 구성 요소 내에 여전히 남아있는 잔류 열로부터 수행될 수 있다. 이로 인해 경화 장치의 하류에 배열되고 구성 요소의 뜨임을 위해 필요한 오븐이 생략될 수 있다. 이로써, 설비 비용뿐만 아니라 보수 및 제조 비용도 절감되고, 필요한 공간도 작아지게 된다.
유리하게는 기존의 유도 가열 장치에 인덕터 절반-외피부를 후속 장착하는 것도 가능하다. 단지 하나의 인덕터 세그먼트에도 불구하고, 관련된 인덕터 절반-외피부에 대해 전력의 어떠한 증가도 요구되지 않으며, 전력은 본 발명에 따른 배열에 의해 얻어지는 양호한 효율 때문에 경우에 따라 훨씬 감소될 수 있다. 가열 시간을 단축시킴으로써, 전체적으로 사이클 시간이 유리하게 감소될 수 있다.
본 발명의 매우 유리한 개선예에서, 인덕터 절반-외피부들 중 하나의 인덕터 절반-외피부가 2개의 인덕터 세그먼트를 갖고 다른 인덕터 절반-외피부가 단지 하나의 인덕터 세그먼트를 갖도록 제공될 수 있다.
이러한 배열로써, 특히 극히 작지는 않은 폭을 갖는 구성 요소가 매우 양호하게 경화될 수 있는데, 이는 2개의 인덕터 세그먼트를 갖는 인덕터 절반-외피부가 충분한 폭의 경화 영역을 달성하는 데 사용될 수 있기 때문이며, 반면에 단지 하나의 인덕터 세그먼트를 갖는 인덕터 절반-외피부는 충분한 깊이의 경화 영역이 얻어지는 방식으로 사용 또는 배열될 수 있다.
이러한 관점에서, 단일의 인덕터 세그먼트가 2개의 인덕터 세그먼트 사이의 중심에 위치되는 방식으로 단일의 인덕터 세그먼트를 갖는 인덕터 절반-외피부가 2개의 인덕터 세그먼트를 갖는 인덕터 절반-외피부에 대해 구성 요소의 길이 방향으로 오프셋 상태로 배열되면 특히 유리하다.
2개의 인덕터 세그먼트에 대한 단일의 인덕터 세그먼트의 중심 방향 배열에 의해, 단일의 인덕터 세그먼트가 충분한 경화 깊이를 제공할 수 있으므로 2개의 인덕터 세그먼트 사이의 중간 공간 때문에 사실상 작은 그 영역에서도 경화 깊이가 충분히 큰 효과가 달성된다. 이러한 구성의 추가의 장점은 단일의 인덕터 세그먼트를 구비한 인덕터 절반-외피부만 2개의 인덕터 세그먼트를 구비한 인덕터 절반-외피부에 대해 중심 방향으로 설정되어야 하므로 인덕터 세그먼트 또는 인덕터 절반-외피부를 설정하는 것이 매우 용이하다는 것인데, 이는 2개의 인덕터 세그먼트를 구비한 인덕터 절반-외피부를 측면 방향 커플링에 대해 용이하게 설정하는 것이 가능하고 전술된 바와 같이 측면 방향 공차는 용이하게 유지될 수 있다.
경화될 구성 요소 또는 구성 요소 섹션이 특히 협소한 경우, 2개의 인덕터 절반-외피부가 각각 하나의 인덕터 세그먼트를 갖는 것이 유리할 수 있다.
이러한 관점에서, 2개의 인덕터 절반-외피부가 경화될 구성 요소의 길이 방향으로 서로에 대해 오프셋 상태로 배열되도록 제공될 수 있다.
서로에 대한 인덕터 세그먼트의 이러한 오프셋 배열에 의해 경화 영역의 폭이 변동될 수 있지만, 경화될 구성 요소가 특정 폭을 초과하지 않는 한 경화 깊이는 충분히 조절될 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 개선점 및 진보점은 남아 있는 종속 청구항 그리고 도면을 기초로 하여 아래에서 원리적으로 나타낸 예시 실시예로부터 드러난다.
도1은 본 발명에 따른 유도 가열 경화를 위한 장치의 평면도이다.
도2는 도1로부터 화살표 Ⅱ에 따른 본 발명에 따른 장치의 도면이다.
도3은 2개의 인덕터 세그먼트를 구비한 하나의 인덕터 절반-외피부에 의한 경화의 경우에 경화될 구성 요소의 최종의 경화 영역의 개략도이다.
도4는 하나의 인덕터 세그먼트를 구비한 하나의 인덕터 절반-외피부에 의한 경화의 경우에 경화될 구성 요소의 최종의 경화 영역의 개략도이다.
도5는 도3 및 도4로부터의 2개의 인덕터 절반-외피부에 의한 경화의 경우에 경화될 구성 요소의 최종의 경화 영역의 개략도이다.
도6은 하나의 인덕터 세그먼트를 구비한 하나의 인덕터 절반-외피부에 의한 경화의 경우에 경화될 구성 요소의 최종의 경화 영역의 개략도이다.
도7은 인덕터 세그먼트가 도6으로부터의 인덕터 세그먼트에 대해 오프셋 배열된 하나의 인덕터 절반-외피부에 의한 경화의 경우에 경화될 구성 요소의 최종의 경화 영역의 개략도이다.
도8은 도6 및 도7로부터의 2개의 인덕터 절반-외피부에 의한 경화의 경우에 경화될 구성 요소의 최종의 경화 영역의 개략도이다.
도1은 원형 단면의 구성 요소(2)를 경화시키는 장치(1)를 도시하고 있다. 구성 요소(2)는 예컨대 내연 기관을 위한 크랭크샤프트일 수 있으며, 그 지지 위치는 장치(1)에 의해 경화되어야 한다. 구성 요소(2)는 반드시 연속적인 원형 단면을 가질 필요는 없지만, 경화될 위치에서의 단면은 각각의 경우에 원형이다.
장치(1)는 구성 요소(2)의 주연의 일부를 따라 연장하는 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)가 내부에 배열되는 하우징(3)을 갖는다. 본 실시예의 경우 하우징(3)의 좌측 상에 배열된 제1 인덕터 절반-외피부(4)는 전류가 흐르는 전도체를 갖는데, 이는 예컨대 구리로 구성되고 인덕터 세그먼트(6)로 불린다. 대조적으로, 본 실시예의 경우 하우징(3)의 우측 상에 있고 구성 요소(2)의 주연을 따라 제1 인덕터 절반-외피부(4)에 대한 특정 각도만큼 오프셋되는 인덕터 절반-외피부(5)는 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)를 갖는데, 이는 본 경우에서도 구리로 구성되고 구성 요소(2)의 주연을 따라 연장한다. 인덕터 절반-외피부(4, 5) 또는 인덕터 세그먼트(6, 7, 8)에는 전류 공급 및 전류 제거 리드가 제공되지만, 이는 공지된 방식으로 구성될 수 있으므로 더 이상 상세하게 논의되지 않는다. 인덕터 절반-외피부(4)는 인덕터 세그먼트(6)와 더불어 인덕터 절반-외피부(4)의 폐쇄 회로를 제공하는 복귀 세그먼트(9)를 갖는다는 것이 언급되어야만 한다. 인덕터 절반-외피부(5)의 경우에, 폐쇄 회로는 종래의 방식으로 연장할 수 있는 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)에 의해 보장된다.
도2에서, 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)의 상이한 구성을 더욱 명확하게 알 수 있다. 이와 같이, 인덕터 절반-외피부(5)의 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)는 서로로부터 일정 간격을 유지하며 연장하고 이들 사이에 중간 공간(10)을 형성한다. 인덕터 절반-외피부(4)의 인덕터 세그먼트(6)는 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8) 사이의 중심 방향에 배열되어 중간 공간(10)을 차지한다. 본 실시예에서, 단일의 인덕터 세그먼트(6)는 양쪽의 인덕터 세그먼트(7, 8)보다 예컨대 2배만큼 넓게 제조되는데, 이들 기하학적 관계는 실질적으로 경화될 구성 요소(2)에 좌우된다. 당연히, 인덕터 세그먼트(6)가 중간 스페이스(10)보다 협소하게 제조될 수도 있어서 중간 공간을 차지하지 못할 수도 있다. 일반적으로, 인덕터 세그먼트(6)는 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)에 대해 중심에 배치되어 중간 공간(10)에 대해 중심에 배열되어야 한다.
구성 요소(2)를 경화시키기 위해, 전류가 인덕터 세그먼트(6, 7, 8)를 통해 인가되고 구성 요소(2)는 회전된다. 경화될 구성 요소(2)의 표면이 중심 축에 대해 편심 방향으로 배열된 지지 표면, 예컨대 커넥팅 로드의 지지 표면이면, 장치(1)는 구성 요소(2)로부터 균일한 거리 소위 커플링 거리를 일정하게 유지하기 위해 이러한 회전 중 대응 이동을 수행하여야 한다. 이러한 목적을 위해, 본 경우에서 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5) 사이에 그리고 그 외측에는 구성 요소(2)와 접촉하고 이러한 방식으로 일정한 커플링 거리를 보장하는 3개의 활주 슈(11)가 배열된다. 그러나, 경우에 따라 구성 요소(2)의 이동 시 장치(1)의 비접촉 동반 이동이 가능할 것이다. 인덕터 세그먼트(6, 7, 8)를 통한 전류 흐름 때문에, 인덕터 세그먼트(6, 7, 8)는 가열되고 예컨대 950℃의 온도까지 자기 유도에 의해 구성 요소(2)가 가열된다. 구성 요소(2)가 대응 온도에 도달하면, 바람직하게는 중합체 수용액이 소위 스프레이(12)에 의해 구성 요소(2) 상에 안내되며, 이러한 방식으로 구성 요소(2)가 냉각된다. 구성 요소(2)의 이러한 가열 및 급랭에 의해, 도3 내지 도8에 도시된 경화 영역(13a 내지 13f)을 나타내는, 구성 요소(2) 내의 미세 조직 변경이 공지된 방식으로 달성된다. 구성 요소(2)의 이러한 가열 중, 비교적 정확하게 한정된 양의 열이 구성 요소(2) 내로 유입되며, 그에 의해 경화 공정 후 구성 요소(2) 내에 여전히 있는 잔류 열로부터 구성 요소(2)의 뜨임을 수행하는 것이 가능하다. 이는 재료-특유의 뜨임 온도에서 일어난다.
이러한 경우에, 단일의 인덕터 세그먼트(6)뿐 아니라 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)에는, 자기장을 증대시켜 결국 장치(1)의 효율을 개선시키는 역할을 하는 금속판(14)이 제공된다. 경화 깊이를 증가시키기 위해, 금속판(14) 및/또는 커플링 거리는 변화될 수 있다.
도3에는 구성 요소(2)가 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)를 갖는 제2 인덕터 절반-외피부(5)에 의해 경화되면 얻어지는 경화 영역(13a)이 도시되어 있다. 이러한 경우에 경화 영역(13a)은 전체적으로 균일하게 형성되지 않고, 중앙에 즉 인덕터 절반-외피부(5)의 경우에 중간 공간(10)이 위치되는 영역에 오목부 또는 "움푹 들어간 부분"을 갖는 것이 명확하게 관찰될 수 있다. 이러한 오목부는 경화 영역(13a)의 경화 깊이의 감소를 가져오는데, 이는 구성 요소(2)의 품질에 대해 전술된 문제점을 수반한다. 이러한 형태의 경화 영역(13a)은 일반적으로 "도그 본"으로 불리고 두 개의 인덕터 절반-외피부가 각각 2개의 인덕터 세그먼트를 갖는 종래 기술에 따른 경화 방법의 경우에서도 일어난다.
도4는 경화 공정이 하나의 인덕터 세그먼트(6)를 구비한 제1 인덕터 절반-외피부(4)로써 수행되면 생성되는 경화 영역(13b)을 도시하고 있다. 이러한 경우에, 경화 영역(13b)이 충분한 깊이를 갖지만 경화 영역(13b)의 폭이 경화되어야 할 구성 요소(2)의 표면으로 나타낸 폭에 대해 과도하게 작다는 것이 관찰될 수 있다.
도5에는 경화 공정이 도1 및 도2를 참조하여 설명된 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)로써 수행되면 얻어지는 경화 영역(13c)이 도시되어 있다. 이와 같이, 2개의 경화 영역(13a, 13b) 사이의 명확한 중복부가 관찰될 수 있어서, 오목부가 없이 그리고 도5에 따른 중앙 영역에서 실질적으로 평탄한 정도로 균질한 경화 영역(13c)을 가져온다.
이러한 균질한 경화 영역(13c)에 의해, 경화 영역(13c)의 측면 간격으로부터 구성 요소(2)의 모서리까지 경화 영역(13c)의 깊이가 추정될 수 있다. 경화 영역(13c)의 이러한 측면 간격은 예컨대 에칭에 의해 측정될 수 있어서, 구성 요소(2)의 파괴가 필요하지 않게 된다.
도6, 도7 및 도8은 장치(1)의 제2 인덕터 절반-외피부(5)가 단지 하나의 인덕터 세그먼트 예컨대 인덕터 세그먼트(7)를 가지면 얻어지는 추가의 경화 영역(13d, 13e, 13f)을 도시하고 있다. 도6에 따른 경화 영역(13d)은 도4에 따른 경화 영역(13b)과 유사한 방식으로 형성되는데, 이는 여기에서도 단지 하나의 인덕터 세그먼트 즉 제1 인덕터 절반-외피부(4)의 인덕터 세그먼트(6)가 사용되기 때문이다. 그러나, 이것은 중앙 외측에 배열된다.
경화 영역(13d)에 대해 구성 요소(2)의 길이 방향으로만 단순히 오프셋되는 도7에 따른 경화 영역(13e)에도 동일하게 적용되는데, 이는 제2 인덕터 절반-외피부(5)의 인덕터 세그먼트(7)가 제1 인덕터 절반-외피부(4)의 인덕터 세그먼트(6)에 대해 구성 요소(2)의 길이 방향으로 오프셋된 것이기 때문이다.
도8은 구성 요소(2)가 도6 및 도7에 따른 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)에 의해 경화되면 얻어지는 경화 영역(13f)을 도시하고 있다. 여기에서, 또한, 경화 영역(13f)이 경화 영역(13a)의 경우에서보다 상당히 균질하다는 것을 알 수 있다. 이러한 경우, 인덕터 절반-외피부(4, 5)의 2개의 인덕터 세그먼트(6, 7)의 서로에 대한 오프셋에 의해 경화 영역(13f)의 폭이 결정될 수 있다.
인덕터 절반-외피부(4, 5) 각각이 단지 하나의 인덕터 세그먼트(6)를 갖는 장치(1)는, 구성 요소(2)의 경화될 표면의 폭이 매우 작을 때, 예컨대 크랭크샤프트의 지지 위치가 매우 협소한 경우에 특히 바람직하다. 이러한 관점에서, 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)를 오프셋시키지 않고 구성 요소(2)에 대해 합동으로 이들을 배열하는 것도 가능할 것이다. 이러한 경우 형성되는 경화 영역은 도6 및 도7에 따른 경화 영역(13d, 13e)과 유사할 것이고 경화될 표면이 극히 협소한 경우에 적절할 것이다.

Claims (8)

  1. 경화될 크랭크샤프트(2)의 주연의 일부를 따라 배열된 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)를 구비한, 크랭크샤프트(2)의 유도 가열 경화를 위한 장치(1)에 있어서,
    2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5) 중 적어도 하나의 절반-외피부는 전류가 흐르는 단지 하나의 인덕터 세그먼트(6)를 갖고,
    단지 하나의 인덕터 세그먼트(6)를 갖는 인덕터 절반-외피부(4, 5)의 복귀 세그먼트(9)가 경화될 크랭크샤프트(2)의 표면에 대해 반경 방향으로 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트(2)의 유도 가열 경화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 인덕터 절반-외피부들 중 하나의 절반-외피부(5)는 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)를 가지며, 다른 인덕터 절반-외피부(4)는 단지 하나의 인덕터 세그먼트(6)를 갖는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 단일의 인덕터 세그먼트(6)를 갖는 인덕터 절반-외피부(4)는, 단일의 인덕터 세그먼트(6)가 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8) 사이의 중심에 위치되는 방식으로, 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8)를 갖는 인덕터 절반-외피부(5)에 대해 크랭크샤프트(2)의 길이 방향으로 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
  4. 제3항에 있어서, 2개의 인덕터 세그먼트(7, 8) 사이에는 중간 공간(10)이 있으며, 단일의 인덕터 세그먼트(6)는 중간 공간(10)에 대해 중심에 배열되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5) 각각은 단지 하나의 인덕터 세그먼트(6, 7)를 갖는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
  6. 제5항에 있어서, 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5)는 경화될 크랭크샤프트(2)의 길이 방향으로 서로에 대해 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5) 사이에 그리고 2개의 인덕터 절반-외피부(4, 5) 외측에는 경화될 크랭크샤프트(2)와 접촉하도록 제공되는 활주 슈(11)가 각각 배열되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 인덕터 절반-외피부(4, 5)는 비접촉 작동 인덕터 절반-외피부(4, 5)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 유도 가열 경화 장치.
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