KR101496775B1 - 전기 유도 열 처리 - Google Patents

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KR101496775B1
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돈 엘. 러브리스
발레리 아이. 루드네브
조셉 엠. 오'하이어
란달 제이. 미닉
브라이언 엘. 마샬
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인덕터히트 인코포레이티드.
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Abstract

외부 코일 세그먼트가 전체적으로 코일의 아래에 배치된 워크피스의 환형 외부 영역을 유도 가열처리하고, 내부 코일 세그먼트가 상기 워크피스의 환형 내부 영역을 전체적으로 유도 가열처리하고, 전이 세그먼트가 열처리된 워크피스의 전체 환형 영역의 폭의 적어도 일부를 횡단하도록, 전이 세그먼트에 의해 함께 결합된 내부 및 외부 코일 세그먼트를 가진 유도 코일이 배치된다. 내부, 외부 및 전이 코일 세그먼트의 상대적인 배치는 상호교차 축 또는 비교차 축 및 비평행 축 기어의 기어 톱니 영역과 같은 전체 환형 영역 전체에 제어된 유도 열처리를 제공한다.

Description

전기 유도 열 처리{ELECTRIC INDUCTION HEAT TREATMENT}
본 발명은 일반적으로 기어 및 기어형(gear-like) 전기 도전성 물품(article)의 전기 유도 열처리에 관한 것으로, 특히 이러한 기어 및 기어형 물품의 케이스 또는 표면 경화를 위한 열처리에 관한 것이다.
전기 유도 가열은 기어 및 기어형 물품을 포함하는 전기 도전성 워크피스를 열처리하는 데에 사용될 수 있다. 기어는 평행한 축들, 상호 교차축, 및 비교차(비평행) 축 기어로 특징지어진다. 언급된 축들은 기어 및 인터페이싱 피니언 또는 기어의 중심축이다. 예를 들면, 2개의 상호작용하는 스퍼 기어는 평행 축을 가지기 때문에, 스퍼 기어는 일종의 평행축 기어이다. 평행 축 기어는 또한 도 1a 및 1b에서 스퍼 기어(102)로 도시된 방사방향으로 외부로 면하는 톱니로 특징지어진다. 평행축 기어의 톱니 영역은 기어를 원으로 둘러싸인 유도 코일(100) 내에 배치시킴으로써 유도 열처리될 수 있다. 적절한 교류 (ac) 전력이 유도 코일에 인가될 때, 기어는 도 1a 및 도 1b에서 각각 와전류(104 및 110)의 일반적인 등압선에 의해 도시된 바와 같이 인덕터를 통과하는 ac 전류의 흐름에 의해 구축된 플럭스 필드와 자기적으로 결합함으로써 유도 가열된다. 공급된 전류의 전기 주파수는 기어 및 유도된 열 공급 내에서 와전류 흐름에 대한 현저한 효과를 가져온다. 기본적으로, 단일 턴(turn) 또는 복수 턴으로 된 솔레노이드 코일을 이용하여 단일한 주파수의 전류만을 가지고 톱니의 팁을 경화시킬 필요가 있을 때, 상대적으로 고주파(예를 들면, 30kHz--450kHz) 및 고전력 밀도가 인가된다. 예를 들어 도 1a를 참조하라. 상대적으로 고주파 전류(전력)가 코일(100)에 인가될 때, 기어(102)에서 와전류 유도 가열이 대표적인 가열 프로파일 라인(104)에 의해 표시된 바와 같이 기어의 윤곽선(contour)을 흐른다. 전류의 밀도가 톱니의 팁(106)에서 가장 높은 정도가 될 것이기 때문에, 루트(108)에 비해 팁(106)에서 전력 과잉이 있을 것이다. 톱니의 팁(106)이 루트(108)에 비해 최소 양의 가열될 금속을 가지는 것을 고려하면, 팁은 전체 가열 사이클동안 가장 집중적인 온도 상승을 겪게 될 것이다. 추가로, 열적인 측면에서 보면, 기어 루트 아래의 금속의 양은 톱니의 팁에 비해 매우 더 큰 열 싱크를 나타낸다. 또한 톱니 팁의 보다 집중적인 가열을 보상하는 또다른 요인은 루트에 비해 인덕터 코일과 톱니 팁 사이의 전자기 근접 효과에 기인한 보다 양질의 전자기 커플링을 처리하고; 보다 높은 주파수가 보다 명확한 근접 효과를 가져오는 경향을 가진다는 것이다. 톱니 루트(108)를 유도 경화할 때, 상대적으로 저주파(예를 들면 50Hz-20kHz)가 바람직하다. 저주파로 했을 때의, 와전류 침투 깊이는 고주파로 한 것보다 매우 더 크다. 미세 피치 및 중간 피치의 기어를 가열할 때, 톱니의 프로파일을 흐르는 대신에 저주파 유도전류가 짧은 경로를 취하여 기어의 기초원 또는 루트 라인을 흐르는 것이 보다 용이하다. 예를 들면, 도 1b 및 대표적인 가열 프로파일 라인(110)을 참조하라. 그 결과는 톱니의 팁에 비해 루트 필릿 영역이 보다 집중적으로 가열되는 것이다. 일반적으로, 기어톱니의 프로파일(팁에서 루트까지)을 흐르는 경도 패턴을 제공하기 위해, 기어의 사전 가열이 요구된다. 기어의 기하학적 모양에 따라, 중간 또는 저주파(예를 들면 20kHz 미만)를 이용하여 사전 가열이 달성된다. 고주파(예를 들면 30kHz-450kHz)는 최종 가열 스테이지 동안 인가된다.
교차 축 및 비교차(비평행) 축 기어의 전기 유도 경화는 루트, 피치 및 면각, 톱니 높이, 톱니 필릿 영역 및 기어 톱니 길이를 포함하는 톱니의 윤곽선과 같은 기어 톱니 특성이 기어의 특정한 적용에 따라 변할 수 있다는 점에서 기술적 난점을 가져온다. 이러한 기어의 일반적인 예를 위해: 일반적인 직선 베벨, 나선형 베벨, 제롤 베벨 및 하이포이드 기어에 대해서는, 2005년, 오하이오 머터리얼즈 파크의 ASM International사에 의해 출판되고, J.R. Davis, Davis and Associates에 의해 편집된, "Gears Materials, Properties, and Manufacture"의 도 13; 나선형 기어 설계의 일반적인 예를 위해서는 동일한 참조문헌의 도 18; 및 일반적인 페이스 기어 용어에 대해서는 동일한 참조문헌의 도 15를 참조하라. 본 명세서의 도 3c는 일반적인 기어 톱니의 용어를 규명한다.
본 발명의 하나의 목적은 기어 톱니 영역에 대한 유도 가열 온도 프로파일과 경화 패턴의 균일성과 반복가능성을 개선하기 위한 교차축 및 비교차(비평행) 축 기어의 톱니 영역의 유도 가열 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 기어 및 기어형 물품의 열처리를 위한 유도 가열 시스템의 강건함을 개선하는 것이다.
하나의 측면에서, 본 발명은, 선택된 유형의 기어의 기어 톱니와 같은, 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부를 갖는 기어형 물품의 전기 유도 가열을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 적어도 하나의 단일 턴으로 된 유도 코일은 적어도 하나의 외부 코일 세그먼트, 적어도 하나의 내부 코일 세그먼트 및 상기 적어도 하나의 외부 및 내부 코일 세그먼트 각각의 인접한 단부를 서로 결합시키는 전이(transition) 코일 세그먼트를 포함한다. 외부 코일 세그먼트는 전체적으로 물품의 하나 이상의 별개의 돌출부의 외부 환형 영역을 유도 가열하도록 배치되고, 내부 유도 코일 세그먼트는 전체적으로 물품이 유도 코일에 인접하여 회전되고 교류가 적어도 하나의 단일 턴으로 된 유도 코일에 공급될 때 하나 이상의 별개의 돌출부의 내부 환형 영역을 유도 가열하도록 배치된다. 전이 세그먼트는 물품이 회전될 때 상기 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부의 길이를 적어도 부분적으로 횡단하도록 배치된다. 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부가 단일 턴으로 된 유도 코일 하에서 회전되고 교류가 코일로 공급될 때 기어형 물품이 유도 가열된다.
본 발명의 일부 예시에서, 기어형 물품은 상호교차축 기어 또는 비교차 및 비평행 축 기어이고, 여기서 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부는 기어의 톱니이다.
본 발명의 상기 및 기타 측면은 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 설명된다.
본 발명에 따르면, 기어 톱니 영역에 대한 유도 가열 온도 프로파일과 경도 패턴의 균일성과 반복가능성이 개선된 교차축 및 비교차(비평행) 축 기어의 톱니 영역의 유도 가열 처리의 장치 및 방법을 제공하고, 기어 및 기어형 물품의 열처리를 위한 유도 가열 시스템의 강건함을 개선한다.
하기에 간략히 설명된 바와 같은 첨부 도면이 본 발명의 예시적인 이해를 위해 제공되며, 이는 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 더 설명된 바와 같이 본 발명을 한정하지 않는다.
도 1a 및 1b는 평행 축 기어의 유도 가열 처리의 종래 방법을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 전기 유도 열처리 장치의 하나의 예의 다이어그램의 상면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 전기 유도 열처리 장치의 다이어그램의 사시도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 전기 유도 열처리 장치로 경화될 수 있는 유형의 기어의 다이어그램 상면도 및 (도 3a에서 라인 B-B를 통과하는) 단면도이다.
도 3c는 일반적인 기어 톱니 용어의 예이다.
도 4a는 도 2a에 도시된 유도 코일의 도 2에서의 라인 A-A를 통과하는 단면도이다.
도 4b는 워크피스가 완전히 회전시 외부 및 내부 코일 세그먼트 모두의 세그먼트 하에서 지나가는 워크피스의 오버랩 유도 가열 영역을 단면으로 도시한다.
도 4c는 본 발명의 유도 코일의 또다른 예의 단면도이고, 여기서 외부 코일 세그먼트가 걸쳐진(overhang) 영역이 워크피스의 측면을 따라서 부분적으로 하방으로 뻗어있다.
도 5a는 본 발명의 전기 유도 열처리 장치의 또다른 예의 상면도이다.
도 5b는 도 5(a)에 도시된 전기 유도 열처리 장치의 도 5a에서의 라인 C-C를 통과하는 단면도이다.
도 5c는 워크피스 및 연관된 지지구조체를 제외하고는 도 5b에 도시된 전기 유도 열처리 장치의 도 5b에서의 라인 D-D를 통과하는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 전기 유도 열처리 프로세스의 하나의 예에 대한, 인가된 유도 전력 및 소비 에너지 스케줄의 하나의 예를 각각 도시한다.
도 7a 및 7b는 단계적인 사전 열처리 스테이지에 대해, 단계적인 소크 스테이지 듀레이션에서의 변화 및 유도 사전 가열 에너지 레벨에서의 변화의 하나의 예를 각각 도시한다.
본 발명의 전기 가열 처리 장치의 비제한적인 예시가 도 2a 및 도 2b에 다이어그램으로 도시된다. 유도 코일(10)은 3개의 코일 세그먼트, 즉, 외부 코일 세그먼트(12), 전이 코일 세그먼트(14) 및 내부 코일 세그먼트(16)(각각의 세그먼트들은 도 2a에서 상이한 각도의 빗금으로 도시됨)를 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 장치로 유도 가열될 워크피스의 중심 축(Zr)의 위치에 대해, 외부 코일 세그먼트는 축(Zr)으로부터 내부 코일 세그먼트 보다 방사방향으로 더 이격되어 배치되고, 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 전이 코일 세그먼트는 외부 및 내부 코일 세그먼트의 단부와 함께 결합된다. 이러한 단부들은 외부 및 내부 코일 세그먼트의 내부 단부라고 할 수 있다. 외부 및 내부 코일 세그먼트의 대향하는 단부들은 전기 도전체(20a, 20b)를 통해 ac 전원(20)에 연결된다. 이러한 단부들은 외부 및 내부 코일 세그먼트의 외부 단부라고 한다.
유도 코일(10)은 선택적으로, 도 2b에 다이어그램으로 도시된 바와 같이, 외부, 내부 및 전이 세그먼트가 그 위에서 형성되는 베이스 엘리먼트(10a)를 포함할 수 있다. 베이스 엘리먼트는 선택적으로 전기 도전성 또는 비도전성이고, 하기에 더 기술되는 바와 같이 급랭(quench) 시스템 컴포넌트를 위한 공간을 제공하는 것과 같은 부가 기능을 제공할 수 있다.
예를 들면(그러나 한정된 것은 아닌), 본 발명의 전기 열처리 장치는 특히 도 3a 및 도 3b에서 기어(90)에 대해 빗금으로 된 영역(90a)으로 다이어그램으로 도시된, 환형, 원뿔형 피치, 톱니 영역을 가진 워크피스로서 일반화될 수 있는, 직선 베벨, 나선형 베벨, 제롤 베벨, 하이포이드 및 나선형 기어와 같은(그러나 그에 한정되는 것은 아님) 상호교차축 또는 비교차(비평행) 축 기어의 기어 톱니 영역에 의해 표시된 워크피스의 유도 열처리에 적합하다. 이러한 유형의 기어는 일반적으로 루트, 피치 및 면각, 톱니 높이, 톱니 필릿 영역, 및 면폭을 포함하는 톱니 윤곽선에서의 변형만큼 상이하고, 이는 기어의 특정한 유형 및 응용에 따라 달라진다. 하기에 더 설명되는 바와 같이, 본 발명의 전기 유도 열처리 장치는 특히 기어의 면폭 뿐만 아니라. 톱니 각도, 톱니 높이 및/또는 톱니 필릿 영역에서의 이러한 변형으로 실질적으로 균일한 기어 톱니의 경화를 달성할 수 있다는 점에서 이점을 가진다.
일반적인(그러나 한정은 아닌) 배치에서, 도 2a 및 2b에 도시된 유도 코일(10)은 역전되고, 워크피스(90)는 기어의 톱니 영역이 유도 코일에 면하면서 상기 유도 코일의 아래에 배치된다. 유도 코일의 각 세그먼트의 면은 본문에 더 기술되는 바와 같이 하나 이상의 별개의 돌출부의 영역에 대향한다. 워크피스는 하기에 더 기술되는 바와 같이 회전된다.
외부 및 내부 코일 세그먼트(12 및 16)는 열처리되는 워크피스 영역의 형상에 부합되도록, 그리고 특정한 유도 열처리 프로파일을 달성하도록 아치형 또는 기타 형상이 될 수 있다. 워크피스(90)는, 일반적으로 기어라고 할지라도, 기어형 물품이고, 여기서 워크피스의 하나 이상의 엘리먼트가 기어의 표면으로부터 돌출한 기어 톱니와 유사하게 워크피스의 표면으로부터 돌출하지만, 반드시 하나 이상의 엘리먼트 각각이 대칭성 또는 유사성을 가질 필요는 없다. 예를 들면, 기어 톱니 영역(90a)은 도 3b에서 표면(90e)으로부터 돌출한다. 외부 및 내부 코일 세그먼트의 도 4a에서의 폭(wocs 및 wics) 뿐만 아니라 길이(Locs 및 Lics)가 워크피스의 면 또는 영역 전체에 유도 가열 분포 패턴을 제어하기 위해 각각 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한(그러나 한정은 아닌) 실시예에서, 전이 코일 세그먼트는 전체적으로 유도 가열된 기어 톱니 영역에서 유도된 와전류가 전체적으로 기어의 톱니의 길이를 가로질러 횡단 방향으로 흐르도록 지향되고, 이는 기어 톱니의 루트에서 열을 유도한다. 일반적으로 이는 도면에서 다이어그램으로 도시된 예시적인 기어 톱니(90b)에 대해 도 2a에 도시된 바와 같이 기어 톱니의 면폭(90b')의 길이를 적어도 부분적으로 횡단하여 가로지르도록 전이 코일 세그먼트의 길이의 방향을 지향시킴으로써 달성된다.
내부 코일 세그먼트(16)의 내부 경계(rics)는 일반적으로 워크피스(90)의 톱니 영역의 내부 방사방향 경계(r'wp) 보다 더 크며, 이는 워크피스의 톱니 영역에서의 유도 가열의 분포를 보조한다. 이는 또한 자신의 내부 경계에 근접한 워크피스에서의 과열(전자기 링 효과에 기인한)을 방지하며, 이는 동일한 영역에서의 과도하게 열처리된 경도 깊이를 방지한다.
외부 코일 세그먼트(12)의 외부 경계(rocs)는 일반적으로 워크피스(90)의 외부 경계(rwp) 보다 더 크며, 이는 워크피스(90)의 톱니 영역에서 유도 가열의 분포의 제어를 보조한다. 이는 또한 자신의 외부 경계에 인접한 워크피스가 가열되는 것(전자기 엔드 효과에 기인한)을 방지하고, 이는 동일한 영역에서의 열 처리된 경도 깊이가 감소되는 것을 방지한다.
(예를 들면 도 4a에서 도시된 바와 같은 외부 코일 세그먼트의 평균 폭(wocs)에 대한 내부 코일 세그먼트의 평균 폭(wics)의 비율로서 정의된) 세그먼트 폭의 비율을 변경하는 것은 워크피스의 외부 및 내부 경계 영역 사이의 유도 가열의 제어된 분포를 보조한다. 바람직하게는(그러나 한정은 아닌), 외부 코일 세그먼트의 폭은 도 2a, 2b, 및 4a에서 본 발명의 유도 코일(10)의 예에 대해 도시된 바와 같이 내부 코일 세그먼트의 폭 보다 더 작다. 도 4a는 또한 외부 코일 세그먼트(12)가 거리(OHocs)만큼 워크피스(90)의 에지 위에 걸쳐져있는(overhang) 것을 도시한다. 추가로, 워크피스(90)가 상기 코일에 인가된 ac 전류로 유도 코일(10) 하에서 회전되므로, 전체적으로 외부 및 내부 코일 세그먼트 하에서 가장 넓은 폭의 방사형 스위프 영역을 나타내는 도 2a에서 점선 원으로 표시되고 도 4b에서 단면으로 도시된 바와 같은 외부 및 내부 코일 세그먼트의 방사방향 오버랩(OL)으로부터 적용되는 기어 톱니 영역의 환형 세그먼트(90d)가 있다.
도 4(c)는 본 발명의 전기 유도 가열장치로 사용되는 유도 코일(10a)의 또다른 예를 도시하며, 여기서 외부 코일 세그먼트(12a)는 거리 (OHocs)만큼 워크피스(90)의 에지에 걸쳐져 있고 워크피스의 에지를 따라 하방으로 부분적으로 뻗어있다. 이러한 선택적인 배치는 기어 톱니 영역의 외부 에지 또는 유도 가열될 영역의 외부 에지의 유도 가열을 보조한다.
도 5a, 5b, 및 5c는 본 발명의 전기 유도 가열 처리 장치(11)의 또다른 예를 도시하며, 여기서 유도 코일은 유체 매체에 의해 냉각되고 선택적인 급랭 시스템이 유도 가열후 급속하게 워크피스를 냉각하도록 제공된다. 인클로저(11a)가 유도 코일(10c)의 베이스에서 밀폐된 급랭제의 챔버를 형성하도록 제공된다. 코일은 도 5c에서 각각의 세그먼트에 대해 상이한 각도로 된 빗금으로 가장 잘 도시되는 바와 같이, 외부 코일 세그먼트(12c), 전이 코일 세그먼트(14c), 및 내부 코일 세그먼트(16c)를 포함한다. 워크피스(90c)는 코일의 세그먼트 아래에 배치된 기어 톱니 영역(90c')(빗금으로 다이어그램으로 도시된)을 가진 하이포이드 기어(도 5(b)에서 단면으로 도시된)가 될 수 있다. 회전자(80)는 워크피스(90c)를 회전시키는 수단을 제공하고, 비제한적인 예에서, 마운팅 구조와 워크피스(90c)의 회전을 위해 자신의 출력 샤프트가 마운팅 구조에 연결된, 전기 모터와 같은, 회전 드라이버(84)와 워크피스 마운팅 구조(82)를 포함한다. 급랭제 주입부(40)는, 적절한 급랭제의 공급원이 주입부(40)에 연결될 때, 물과 같은 급랭제 매체의 급랭제 챔버(42)로의 흐름을 위한 주입 통로를 제공한다. 코일 세그먼트를 통과하도록 형성된 급랭제 통로(44)는 급랭제 챔버로부터 통로의 배출부(46)로 급랭제가 흐르도록 하여 기어 경화 프로세스동안 급랭제를 워크피스(90c)에 뿌리도록 한다. 적절한 ac 전원이 전력단자(20a' 및 20b')에 연결되어 공급 도관(49)을 통해 유도 코일(10c)로 공급된다. 본 비제한적인 예에서, 유도 코일 세그먼트는 적절한 공급원으로부터 주입부(52)로 공급된, 물과 같은, 유체에 의해 냉각되고, 리턴 냉각 매체를 배출부(54)를 통해 장치에서 배출시키면서 공급 도관(49)을 통해 유도 코일의 세그먼트의 바닥부 또는 기타 부분에 내장된 밀폐된 환형 냉각 챔버(50)(도 5b)로 공급된다.
도 5b를 참조하면, 본 발명의 임의의 예에서, 외부 및/또는 내부 코일 세그먼트 중 어느 하나가 외부 코일(12d)에 대해 영역(12d")에 도시된 바와 같이 단면으로 프로파일링되어, 예를 들면, 외부 코일 세그먼트의 내부 영역은 외부 코일 세그먼트의 외부 영역에서의 동일한 갭보다 외부 코일 세그먼트와 워크피스(90c)의 인접한 면들 사이에서 더 큰 갭을 가진다. 추가로, 외부 및 내부 코일 세그먼트에 대한 갭들은 원하는 유도 가열 요구조건에 따라 상이하다. 또한, 외부 코일 세그먼트(12d)의 선택적인 영역(12d')이 도 5b에 도시되고, 이는 워크피스의 에지를 따라 부분적으로 하방으로 뻗어있다.
단일 턴으로 된 유도 코일이 본 발명의 상기 예시들에서 도시되었지만, 외부 코일 세그먼트, 전이 코일 세그먼트 및 내부 코일 세그먼트를 가진 다수의 단일 턴으로 된 코일 또는 다중 턴으로 된 코일, 또는 균일한 원형 코일 턴을 가진 그의 조합들이 본 발명의 다른 예시에서 사용될 수 있다. 추가적으로, 다수의 내부, 외부 및 전이 세그먼트가 단일 턴으로 된 코일에 사용될 수 있다. 내부, 외부 및 전이 코일 섹션의 실제 형상은 특정 애플리케이션에 따라 변화될 것이다. "단일 턴으로 된 유도 코일"이라는 용어는 본문에서 기술된 바와 같이 코일이 외부, 전이 및 내부 코일 세그먼트를 포함하는 한은 본 발명의 상기 예시에 도시된 바와 같이 자신의 중심축 주위로 거의 360도 미만으로 뻗어있는 코일을 포함한다.
본 발명의 유도 코일은 구리와 같은 전기 도전성 재료의 단일한 조각으로 조각되거나, 또는 내부, 외부 및 전이 코일 세그먼트를 위한 개별 컴포넌트들로 조립될 수 있다. 예를 들면, 유도 코일(10c)은 유도 코일을 보강하는 원하는 기하학적 모양의 세그먼트를 달성하기 위해 워크피스의 영역을 기계가공함으로써 고체 구리 환형 워크피스로부터 형성될 수 있다. 본 발명의 대안의 예에서, 유도 코일의 거의 모든 세그먼트가 내부 냉각 챔버 또는 통로를 가지고, 유도 코일의 거의 모든 세그먼트가 급랭제 배출부를 구비한다.
본 발명의 일부 예에서, 플럭스 보상기가 워크피스를 향해 자기 플럭스를 지향시키도록 코일 세그먼트 중 하나의 주위에 적어도 부분적으로 배치된다. 예를 들어 도 4b를 참조하면, U자형 집신기가 적어도 외부 코일 세그먼트의 부분적인 길이에 대해 외부 코일 세그먼트(12) 측면 위에 그리고 그 측면을 따라서 배치되고, 또는 도 4c를 참조하면 L자형 집신기가 적어도 외부 코일 세그먼트의 부분적인 길이에 대해 외부 코일 세그먼트(12a)의 걸쳐져있는 측면 위에 그리고 그 측면을 따라서 배치된다.
본 발명의 유도 가열 프로세스에서, 최종 온도에 대한 워크피스 영역의 열 처리는 워크피스가 인덕터 아래에서 회전되는 동안 2 개 이상의 가열 스테이지에서 수행될 수 있다. 일반적으로, 최초의 가열 스테이지는 워크피스를 사전가열하기 위한 하나 이상의 중간 가열 스테이지가 후속된다. 상대적으로 저전력이 최초 및 중간 사전 가열 스테이지 동안 인가된다. 이러한 스테이지들은 일반적으로 하나 이상의 단기간의 듀레이션, 고 전력의 최종 가열 스테이지(들)이 후속한다. 사전 가열 스테이지들은, 기어 톱니 영역으로 침습(소크(soak))하기 위해 이전의 가열 스테이지 동안 유도가열될 수 있도록, 유도 전력이 워크피스로 인가되지 않는 동안 소크 스테이지와 교대로 나타난다. 본 발명의 유도 가열 처리 장치로, 소크 스테이지의 듀레이션이 증가하는 반면, 사전 가열 스테이지 동안의 에너지 소비는 이전에 달성가능한 것에 비해 감소된다.
이러한 프로세스의 한 가지 예가 도 6a 및 6b에 도시된다. 도 6a를 참조하면, 워크피스가 분당 250 리볼루션으로 회전을 계속하는 것이 가능한 동안 소크 스테이지(SK1)의 6초 후에, 60kW의 최초 사전 가열 스테이지(S1) 전력 레벨이 분당 250 리볼루션의 워크피스 리볼루션 속도로 24초 동안 인가되고; 워크피스가 분당 250 리볼루션으로 회전을 계속하는 것이 가능한 동안 소크 스테이지(SK2)의 9초 후에, 60kW의 제 2 사전 가열 스테이지(S2) 전력 레벨이 분당 250 리볼루션의 워크피스 리볼루션 속도로 8초 동안 인가되고; 워크피스가 분당 250 리볼루션으로 회전을 계속하는 것이 가능한 동안 소크 스테이지(SK3)의 10초 후에, 60kW의 제 3 사전 가열 스테이지(S3) 전력 레벨이 분당 250 리볼루션의 워크피스 리볼루션 속도로 4초 동안 인가되고; 워크피스가 분당 250 리볼루션으로 회전을 계속하는 것이 가능한 동안 소크 스테이지(SK4)의 12초 후에, 60kW의 제 4 사전 가열 스테이지(S4) 전력 레벨이 분당 250 리볼루션의 워크피스 리볼루션 속도로 3초 동안 인가된다. 소크 스테이지(SK4) 후에, 350kW의 고 가열 스테이지(S5) 전력레벨이 분 당 500 리볼루션의 워크피스 리볼루션 속도로 0.5초 동안 인가된다. 본 예시에서, 사전 가열 스테이지용 ac 주파수는 150kHz이고, 최종 가열 스테이지 동안 150kHz이며; 이러한 비제한적인 예에 대한 일반적인 워크피스는 7.75 인치의 외부 직경과 5.25 인치의 내부 직경을 가진다. 도 7a는 소크 스테이지(SK1)에서 소크 스테이지(SK4)로 진행할 때 소크 스테이지의 듀레이션의 증가를 그래픽으로 도시한다. 도 6b가 사전 가열 스테이지(E1-E4)에서 소비된 에너지를 그래픽으로 도시하는 반면, 도 7b는 최초 사전 가열 스테이지(S1)에서 최종 사전 가열 스테이지(S4)로 진행시의 소비된 에너지 감소의 경향을 그래픽으로 도시한다.
바람직하게는, 최종 가열 스테이지 동안의 워크피스의 회전 속도는 적어도 각 기어 톱니의 2개의 레볼루션을 제공한다.
본 발명의 상술한 비제한적인 예에서 워크피스가 소크 스테이지 동안 회전되었지만, 본 발명의 다른 예에서, 워크피스는 하나 이상의 소크 스테이지의 적어도 일부 동안은 정지될 수 있다.
본 발명의 상술한 비제한적인 예에서 사전 가열 및 최종 가열 스테이지 동안 워크피스의 회전 속도가 상이하였지만, 본 발명의 다른 예에서 회전 속도는 사전 가열 스테이지 및 최종 가열 스테이지 동안은 동일할 수 있다.
본 발명의 상술한 비제한적인 예에서 사전 가열 스테이지 및 최종 가열 스테이지 동안 단일한 주파수가 사용되었지만, 본 발명의 다른 예에서 사전 가열 스테이지 및 최종 가열 스테이지 동안 상이한 주파수들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 단일한 저주파, 또는 다수의 저주파가 톱니 루트 영역의 개선된 사전 가열을 제공하기 위해 사전 가열 스테이지에서 사용될 수 있다.
본 발명의 상술한 비제한적인 예에서 동일한 유도 코일이 사전 가열 및 최종 가열에 사용될 수 있지만, 본 발명의 다른 예에서 상이한 유도 코일, 즉, 적어도 상이한 내부, 외부 또는 전이 세그먼트, 및/또는 상이한 공급 전력 특성을 가지는 유도 코일이 하나 이상의 사전 가열 및/또는 최종 가열 스테이지에 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 스테이지들에 대해 상이한 코일을 사용하는 것은 상이한 온도 레벨로 워크피스의 기어 면의 선택된 영역을 사전 가열하는 것을 돕고; 일부 기어의 기하학적 모양에 대해서는, 최종 가열 스테이지 전에 기어면 전체의 가열 온도의 그래디언트가 바람직하다. 상이한 유도 코일이 사용되면, 본 발명의 다중 스테이션 장치가 설치되어, 각각의 스테이션은 상이한 유도 코일을 포함하고, 워크피스가 스테이션 사이에 이송되는 시간동안 중간의 소크 스테이지가 그 전체 또는 일부 시간에 발생할 수 있다.
도 6a 및 6b에 그래픽으로 도시된 본 발명의 비제한적인 예가 순차적인 인가 전력 스테이지 및 비 인가 전력(소크) 스테이지를 이용하지만, 본 발명의 다른 예에서 시간에 대해 거의 제어되는(예를 들면, 전력 크기 및/또는 주파수 변동) 연속한 인가 전력에 의해 유사한 또는 다른 바람직한 사전 가열이 달성될 수 있다.
본 발명의 상술한 예에서 유도 코일이 정적인 상태를 유지하는 동안 워크피스가 회전되었지만, 본 발명의 다른 예에서, 워크피스가 정지 상태를 유지하는 동안 유도 코일이 회전되거나, 또는 유도 코일과 워크피스 모두의 회전의 조합이 사용될 수 있다.
유도 코일 및 워크피스의 중심 축은 본 발명의 상술한 예에서 거의 일치하지만, 본 발명의 다른 예에서 유도 코일의 중심축은 워크피스의 중심축으로부터 벗어나 있을수 있다.
본 발명의 상술한 예는 단지 설명의 목적일 뿐이며, 어떠한 방식으로건 본 발명을 제한하려는 것으로 해석되지 않는다. 본 발명이 다수의 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본 문에 사용된 용어들은 제한의 의미가 아니라, 설명 및 예시의 의미로서 사용된 것이다. 본 발명이 특정한 수단, 재료, 및 실시예를 참조하여 본문에 기술되었지만, 본 발명은 본문에 개시된 특정한 것들에 한정될 것을 의도하지 않으며; 오히려, 본 발명은 모든 기능적으로 등가인 구조, 방법 및 사용처로 확장된다. 본 명세서의 교안을 이용하는 당업자는 해당 측면에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다양한 변경, 변형 등을 수행할 수 있을 것이다.
10, 10a, 10c 유도 코일 11 전기 유도 가열 처리 장치
11a 인클로저 12, 12a, 12c, 12d 외부 코일 세그먼트
14, 14c 전이 코일 세그먼트 16, 16c 내부 코일 세그먼트
20 ac 전원 20a, 20b 전기 도전체
20a', 20b' 전력단자 40 급랭제 주입부
42 급랭제 챔버(42), 44 급랭제 통로
49 공급 도관 50 밀폐된 환형 냉각 챔버
52 주입부 54 배출부
80 회전자 82 워크피스 마운팅 구조
84 회전 드라이버 90, 90c 워크피스
90b 기어 톱니 90b' 면폭
90c' 기어 톱니 영역 90e 표면
Zr 중심 축 OHocs 거리
wocs, wics 폭 Locs, Lics 길이
r'wp 내부 방사방향 경계 rocs 외부 코일 세그먼트의 외부 경계
rwp 워크피스의 외부 경계 OL 오버랩
E1-E4 사전 가열 스테이지 SK1, SK2, SK3, SK4 소크 스테이지
S1 최초 사전 가열 스테이지 S2 제 2 사전 가열 스테이지
S3 제 3 사전 가열 스테이지 S4 최종 사전 가열 스테이지
S5 고 가열 스테이지

Claims (22)

  1. 기어형(gear-like) 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역을 구비하는 기어형 물품을 가열하는 전기 유도 가열 장치에 있어서,
    적어도 하나의 턴(turn)으로 된 유도 코일; 및
    교류 전원을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일은:
    하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 방사방향 외부 영역에 적어도 부분적으로 대향하는 외부 코일 세그먼트면과 외부 코일 세그먼트 외부 및 내부 단부를 구비하고, 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향 외부 영역을 유도 가열하기 위해 배치된, 외부 코일 세그먼트;
    하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 방사방향 내부 영역에 적어도 부분적으로 대향하는 내부 코일 세그먼트면과 내부 코일 세그먼트 외부 및 내부 단부를 구비하고, 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향 내부 영역을 유도 가열하기 위해 배치된, 내부 코일 세그먼트; 및
    상기 외부 코일 세그먼트와 상기 내부 코일 세그먼트의 내부 단부 사이에 연결된 전이 코일 세그먼트;를 구비하고,
    상기 교류 전원은 상기 외부 코일 세그먼트와 상기 내부 코일 세그먼트의 외부 단부 사이에 연결되고,
    상기 전이 코일 세그먼트는 하나 이상의 별개의 돌출부의 횡단 영역을 유도 가열하기 위해 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 횡단 영역에 대향하는 전이 코일 세그먼트면을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전이 코일 세그먼트가 상기 횡단 영역에서 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 길이를 적어도 부분적으로 횡단하도록 상기 기어형 물품에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기어형 물품을 회전시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 코일 세그먼트 또는 상기 내부 코일 세그먼트는 아치형으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  5. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 코일 세그먼트 및 상기 내부 코일 세그먼트의 길이와 폭은 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향의 외부 및 내부 영역을 가로지르는 유도 가열 패턴을 달성하도록 변경되는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  6. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 코일 세그먼트의 폭은 상기 내부 코일 세그먼트의 폭 미만인 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  7. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 코일 세그먼트의 내부 경계는 상기 기어형 물품의 중심축으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부의 내부 경계보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  8. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 코일 세그먼트의 외부 경계는 상기 기어형 물품의 중심축으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부의 외부 경계보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 외부 코일 세그먼트는 기어형 물품의 에지 위에 걸쳐져 있는(overhang) 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  10. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일의 내부 또는 외부 코일 세그먼트 중 적어도 하나가 단면으로 프로파일링되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  11. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부, 내부 또는 전이 코일 세그먼트 중 적어도 하나의 주위로 적어도 부분적으로 뻗어있는 적어도 하나의 플럭스 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  12. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 또는 내부 코일 세그먼트면 중 어느 하나와 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 대향하는 방사방향의 외부 또는 내부 영역 사이에서 각각 형성된 제 1 갭 거리는 상기 외부 또는 내부 코일 세그먼트면 중 다른 하나와 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 대향하는 방사방향의 외부 또는 내부 영역 사이에서 각각 형성된 제 2 갭 거리와 상이한 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  13. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일의 외부, 내부 또는 전이 코일 세그먼트 중 적어도 하나를 통과하는 적어도 하나의 냉각 매체 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  14. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 코일 세그먼트, 내부 코일 세그먼트, 및 전이 코일 세그멘트가 부착되는 베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 베이스는 급랭제(quenchant)를 급랭제 챔버로 공급하기 위한 적어도 하나의 급랭제 주입부를 구비한 급랭제 챔버를 포함하고, 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일의 외부, 내부 또는 전이 코일 세그먼트 중 적어도 하나는 하나 이상의 별개의 돌출부의 유도 가열된 방사 방향의 외부, 방사방향의 내부, 그리고 횡단 영역으로 급랭제를 전달하기 위한 복수의 급랭제 배출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  16. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기어형 물품은 상호교차 축 기어 또는 비교차 및 비평행 축 기어이고, 하나 이상의 별개의 돌출부는 기어 톱니인 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
  17. 기어형 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부를 유도 가열하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 방사방향 외부 영역에 적어도 부분적으로 대향하는 외부 코일 세그먼트면과 외부 코일 세그먼트 외부 및 내부 단부를 구비하며, 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향 외부 영역을 유도가열하도록 배치된 외부 코일 세그먼트; 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 방사방향 내부 영역에 적어도 부분적으로 대향하는 내부 코일 세그먼트면과 내부 코일 세그먼트 외부 및 내부 단부를 구비하며, 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향 내부 영역을 유도 가열하도록 배치된 내부 코일 세그먼트; 및 상기 외부 및 내부 코일 세그먼트의 내부 단부 사이에 연결된 전이 코일 세그먼트로서, 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 횡단 영역을 유도가열하도록 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 횡단 영역에 대향하는 전이 코일 세그먼트면을 구비하는 상기 전이 코일 세그먼트;를 포함하는 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일과 마주하는 하나 이상의 별개의 돌출부를 가진 기어형 물품을 회전시키는 단계; 및
    상기 하나 이상의 별개의 돌출부를 유도 가열하기 위해 상기 하나 이상의 별개의 돌출부와 결합하는 자기 플럭스 필드를 생성하는 외부 코일 세그먼트 및 내부 코일 세그먼트의 외부 단부에 교류 전원을 연결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일의 외부, 내부 또는 전이 코일 세그먼트 중 적어도 하나에 내부 냉각 매체를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일의 외부, 내부 또는 전이 코일 세그먼트 중 적어도 하나에서의 복수의 급랭제 개구를 통해서 급랭제를 하나 이상의 별개의 돌출부로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 방법.
  20. 제 17 항 내지 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 일련의 순차적으로 감소하는 사전 가열 시간만큼 사전 가열 전력 레벨에서 상기 하나 이상의 별개의 돌출부를 유도 가열하는 단계로서, 순차적으로 증가하는 소크(soak) 시간이 상기 순차적으로 감소하는 사전가열 시간의 각각에 후속하는 단계; 및 상기 사전 가열 전력 레벨에서의 일련의 순차적으로 감소하는 사전 가열 시간에 후속하여 최종 가열 전력 레벨에서 적어도 하나의 최종 가열 시간만큼 상기 하나 이상의 별개의 돌출부를 유도 가열하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 최종 가열 시간은 임의의 사전 가열 시간 보다 더 짧고, 상기 최종 가열 전력 레벨은 상기 사전 가열 전력 레벨보다 더 큰 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 방법.
  21. 삭제
  22. 기어형 물품의 표면으로부터의 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역을 구비하는 기어형 물품을 가열하는 전기 유도 가열 장치에 있어서,
    적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일;
    교류 전원; 및
    상기 기어형 물품을 회전시키는 수단;을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 턴으로 된 유도 코일은:
    하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 방사방향 외부 영역에 적어도 부분적으로 대향하는 외부 코일 세그먼트면과 외부 코일 세그먼트 외부 및 내부 단부를 구비하고, 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향 외부 영역을 유도 가열하기 위해 배치된, 외부 코일 세그먼트;
    상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 방사방향 내부 영역에 적어도 부분적으로 대향하는 내부 코일 세그먼트면과 내부 코일 세그먼트 외부 및 내부 단부를 구비하고, 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 방사방향 내부 영역을 유도 가열하기 위해 배치된, 내부 코일 세그먼트; 및
    상기 외부 코일 세그먼트와 상기 내부 코일 세그먼트의 내부 단부 사이에 연결되는 전이 코일 세그먼트;를 구비하고,
    상기 교류 전원은 상기 외부 코일 세그먼트와 상기 내부 코일 세그먼트의 외부 단부 사이에 연결되고,
    상기 전이 코일 세그먼트는 횡단 영역에서 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 길이를 적어도 부분적으로 횡단하도록 상기 기어형 물품에 대해 배치되고, 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 횡단 영역을 유도 가열하기 위해 상기 하나 이상의 별개의 돌출부의 환형 영역의 횡단 영역에 대향하는 전이 코일 세그먼트면을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 유도 가열 장치.
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