TW201538739A - 沿工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之熱處理之單發感應器 - Google Patents

沿工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之熱處理之單發感應器 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種感應熱處理沿著一工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之單發感應器。該單發感應器具有多個平面弧形單匝線圈區段，其等由一軸向線圈區段彼此分離使得該等多個平面弧形單匝線圈區段之各者循序熱處理插入於該單發感應器內之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件。

Description

沿工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之熱處理之單發感應器 [相關申請案之交叉參考]
本申請案主張2014年2月9日申請之美國臨時申請案第61/937,555號之權利，該申請案之全文以引用的方式併入本文中。
本發明係關於沿著一工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件(諸如用於內燃引擎中之一凸輪軸上之多個緊密間隔之凸輪凸部)之電感應熱處理。
一凸輪軸用於一內燃引擎中以當引擎在運轉中時執行循環程序。為了熱處理之目的，可將一凸輪軸幾何描述為具有沿著凸輪軸之中心縱軸分佈之至少一或多個凸輪凸部之一縱向定向之工件，其中各個凸輪凸部呈一偏心圓柱形組件之形狀。一般言之，雖然不總是如此，但各個凸輪凸部具有一偏心圓形輪廓，其中圓形凸輪凸部中心與凸輪軸之中心縱軸內聯。在三維中，可將凸輪凸部描述為與凸輪軸之中心縱軸對準之一偏右圓柱形組件。沿著凸輪軸之縱軸通常分佈多個凸輪凸部以協調引擎之進氣閥及排氣閥之打開及關閉。除凸輪凸部之 外之其他組件亦可形成一凸輪軸。整個凸輪軸可藉由鍛造、鑄造、機械加工或組裝而產生且可係一實心凸輪軸、空心凸輪軸或一組合實心及空心凸輪軸。
通常沿著一傳統凸輪軸之中心縱軸之相鄰凸輪凸部之間之間隔係大的，因為一凸輪在其上操作之組件(例如，一進氣閥或排氣閥)被隔開大距離。舉例而言，在圖1中展示一典型傳統凸輪軸90。凸輪軸包括沿著圓柱形軸件98之軸向長度分佈之凸輪凸部(94a及94b；94c及94d；94e及94f；及94g及94h)之四個群組(92a至92d)。未展示諸如軸承及端帽之傳統凸輪軸特徵。通常凸輪凸部係與軸件一體地經鍛造、鑄造或機械加工，且後來增加諸如軸承之額外組件；替代地，例如凸輪凸部之凸輪軸組件可收縮配合至凸輪軸上。凸輪凸部之數目，其等之大小、輪廓、定位及定向取決於凸輪軸類型及引擎設計。空心凸輪軸或實心凸輪軸可用於許多應用中，其中凸輪軸上之一或多個特徵(諸如一凸輪凸部)必須經冶金硬化，以經受在一應用中之一設計使用壽命期間施加之磨損及力。典型車用凸輪軸上之此等凸輪凸部之典型軸向寬度x1係大約9至21mm(毫米)，且相鄰凸輪凸部之間之典型最小軸向分離x2係大約12至40mm。
當操作一閥時，凸輪凸部輪廓係與連接至閥之一凸輪從動件之搖桿接觸之凸輪凸部之工作表面。在凸輪軸之預期壽命週期期間，一凸輪軸可旋轉通過數百萬個360°旋轉循環且經歷歸因於凸輪從動件在凸輪凸部之工作表面上之滑動摩擦之相當多之磨損及接觸應力。在圖1中對於凸輪凸部94b使用橫截面影線繪示關於一凸輪凸部之工作表面。耐磨性及強度之一良好組合對於凸輪凸部係必要的，其等需要工作表面區域之硬化。基於凸輪軸功能，一凸輪凸部之工作表面包括至少以下輪廓區域：基圓(亦稱為跟部)、齒腹及鼻。
在圖2(a)及圖2(b)中關於凸輪軸凸部輪廓展示凸部鼻區域95a及 95b、基圓97a及97b及齒腹99a及99b，將凸輪軸凸部輪廓分類為具有一「尖」鼻(在圖2(a)中)或一「常規鼻」(在圖2(b)中)以區分具有小於圖2(b)中之典型常規鼻之輪廓弧度之一輪廓弧度之一尖鼻區域。跟部(基圓)係通常與凸輪軸之軸件(例如，圖1中之軸件98)同心且不具有與凸輪凸部之工作表面接觸之元件(諸如一凸輪從動件之搖桿)之升程之凸輪凸部之部分；齒腹係具有大加速度及速度以使連接至凸輪從動件之閥移動以盡可能快速地打開或關閉之凸輪凸部之部分；且鼻係與跟部相對之具有最小曲率半徑以給出最大閥升程之凸輪凸部之部分。在圖2(b)中一凸輪凸部之最大橫截面直徑可定義為自鼻之頂點至跟部之底部之距離y1。
多種類型之加熱感應器(亦稱為感應線圈)可用於感應硬化通常具有圓柱形形狀之一工件上之組件，包含具有如本文中所述之一偏右圓柱形形狀之一凸輪凸部。如圖3中關於單匝感應線圈80所示，感應器通常係具有一圓形橫截面形狀之單匝或多匝感應器。由於感應加熱之強度取決於與工件之區域耦合之磁通量以引發插入於線圈中之工件或組件中之渦流加熱，所以使用習知感應線圈配置難以達成諸如一凸輪凸部之一複雜幾何區域內之一均勻感應熱處理。感應加熱程序由以下事實進一步複雜化：通常熱穿透至工件之內部係向內感應渦流加熱及接著自渦流區域(由電流穿透深度控制)朝向工件之中心區域之進一步感應向內熱傳遞(有時稱為「熱浸泡」)之一組合。與意欲經熱處理之工件區域鄰近之工件區域之存在可複雜化達成意欲熱處理區域中之所要溫度均勻性之能力。
取決於一凸輪軸之幾何形狀及所需之每單元熱處理時間生產需要，可使用用一單一感應器之各個凸輪凸部之掃描感應加熱或用多匝感應器之一單一或多個凸部之靜態(單發)加熱感應硬化凸輪軸。
掃描感應硬化通常用於較低生產率。單匝掃描感應器藉由容許 使用一最小量之功率熱處理具有多種寬度之凸輪凸部而提供最大靈活性，此係因為當使用具有小於凸輪凸部之寬度之一窄寬度面(圖3中之80')之一掃描感應器時在一給定時間段中僅加熱一單一凸輪凸部之工作表面之一小部分。
當在加熱具有「凸部鼻直徑對凸部基圓直徑」之一明顯不同比率之凸輪凸部時(尤其當凸輪凸部非常靠近彼此定位時)試圖符合「最小值至最大值」之一指定範圍之硬度層(表面)深度變動時，掃描感應硬化可係有問題的。舉例而言，圖4(a)及圖4(b)繪示一非傳統類型之凸輪軸之一實例，即，一三凸部凸輪軸70，其具有各包括三個緊密間隔之凸輪凸部(凸部：74a、74b及74c；74d、74e及74f；74g、74h及74i；及74j、74k及74l)之四個三凸部群組(72a、72b、72c及72d)，其中各個凸輪凸部具有在大於1.5：1或小於1：1.5之範圍內之一凸部鼻直徑dn對凸部基圓(跟部)直徑dh比率(dn：dh)，且在各個三凸部群組中，一中心凸部(74a、74d、74g或74j)與各個相關聯之外部末端凸部(74b及74c；74e及74f；74h及74i；及74k及74l)之間之軸向距離x3不大於2至5mm(其中更接近2mm之距離係更典型)。
一三凸部凸輪軸可用於(例如)具有自由浮動往復活塞(各具有一凸輪從動件)之一引擎中，其中活塞經配置成四個活塞之一或多排，各活塞延伸於90°之一角度間隔之排上，活塞可經分離30度之一角度間隔。此等引擎中之凸輪凸部輪廓將接近具有根據一特定引擎之所要特性之不同輪廓之正弦形狀。三凸部凸輪軸上之輪廓之間之一液壓致動之兩件式制動開關交替升程及持續時間兩者。
掃描感應硬化一三凸部群組中之緊密間隔之凸輪凸部之一嘗試不可避免的與至少一雙重挑戰相關聯：已經硬化之一三凸部群組中之相鄰凸部之非所要回火；及歸因於自正在被淬火之凸輪凸部之表面至一三凸部群組中之已經加熱之凸輪凸部之表面上之淬火飛濺(此係歸 因於尤其在一三凸部群組中經加熱之凸輪凸部及正在被淬火之凸輪凸部之近軸向接近)而獲得有斑點之硬度之可能性。
作為掃描感應硬化之一替代品，可藉由將諸如三凸部群組72a(在圖5(a)中展示為一部分凸輪軸截面)之一三凸部群組中之緊密間隔之凸輪凸部插入於單匝感應器80內(如圖5(b)中所示)，而靜態感應(單發)硬化一三凸部群組中之緊密間隔之凸輪凸部之一群組。單匝感應器80可係一空心銅線圈感應器，其具有內部水冷卻通道81，因此形成具有線圈寬度wcoil、固定橫截面圓形內徑din及外徑dout之一單匝感應器，如圖5(b)中所示。凸輪凸部之一三凸部群組通常經由軸件78而沿著凸輪軸之軸向長度連接至凸輪凸部之至少另一三凸部群組，如圖4(a)中所示。參考圖5(a)中之三凸部群組，由於電磁接近效應，當使用如圖5(b)中展示之一單匝感應器熱處理時，相較於外部末端凸部74b及74b之感應熱強度，中心凸部74a之感應熱強度將更低，此係歸因於面對中心凸部之一感應線圈表面(稱為「面對表面」)與面對中心凸部之工作表面之間之間隙g1更大於感應線圈面對表面與凸輪凸部之一三凸部群組內之外部末端凸部之工作表面之間之間隙g2。另外，在三凸部凸輪軸中，一三凸部群組中之外部末端凸部在寬度上可比一三凸部群組中之中心凸部更薄；即，在一三凸部群組中，中心凸部之寬度x4對各個外部末端凸部之寬度x5之比率可大於2：1，如圖4(a)中所繪示。此等因素導致外部末端凸部(74b及74c)相較於中心凸部74a之明顯更深硬化層(表面)深度，如在圖5(b)中由外部末端凸部74b及74c中之點畫工作表面區域及中心凸部74a之幾乎無(點畫)工作表面深度硬化所繪示。取決於一三凸部群組中外部末端凸部對中心凸部之幾何差異，硬度層(表面)深度中之差異可係不可接受的。舉例而言，為了獲得一三凸部群組中之中心凸部上之指定最小硬化層(表面)深度，可使三凸部群組中之外部末端凸部過熱至產生非所要微觀結構及冶金上不 可接受之結果(諸如，晶界熔析、晶粒粗化、鋼燃燒及裂解)之程度。
其中多個匝之各者具有一固定橫截面圓形內徑及外徑之一多匝感應器之使用亦可用於熱處理一三凸部群組中之凸輪凸部。圖6(a)呈橫截面繪示三凸部群組72a中之凸輪凸部74a、74b及74c及包括中間線圈匝82b及外部末端匝82a及82c之三匝感應器82，其中外部末端線圈匝自外部末端凸部74b及74c(在Xaxis3及Xaxis4處居中)軸向偏移(在軸向位置Xaxis1及Xaxis2處居中)，以將外部末端線圈匝自當三匝感應器適當連接至一電源時經建立之磁場磁性解耦合，且中間線圈匝82b之內部橫截面半徑r1小於外部末端線圈匝82a及82c之內部半徑r2。圖6(a)中之三匝感應器配置導致對於中心凸部74a及外部末端凸部74b及74c之一經改良之硬化表面(層)深度分佈(由點畫區域所繪示)，其優於對於其中不存在中心凸部74a之顯著工作表面硬化之圖5(b)中展示之單匝感應器配置之硬化表面(層)深度分佈。可藉由以下而做出對圖6(a)中之三匝感應器配置之進一步改良：在中間線圈匝82b之側上方及周圍增加通量集中器62，以增加局部磁通量場及中心凸部74a中之感應熱強度，如圖6(b)中所示，其中中心凸部中之縮圖形狀(點畫)層硬化區域之總體軸向長度及深度之增加多於圖6(a)之配置中之總體軸向長度及深度。可使用圖7中展示之四匝感應器84配置進一步改良圖6(a)及圖6(b)中之三匝感應器配置。四匝感應器84包括兩個外部末端線圈匝84a及84d及兩個中間線圈匝84b及84c，其中全部匝都適當連接至一電源。如由圖7中之點畫(層硬化)區域所示，定位於中心凸部74a上方之線圈84之兩個中間匝強化寬中心凸部之感應加熱，導致優於圖6(a)及圖6(b)中之配置之中心凸部之一經改良之硬度圖樣及中心凸部之非所要縮圖形狀之一顯著減小。
本發明之一目的係提供經改良地單發熱處理沿著一工件之縱軸分佈之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之一單匝感應器。
本發明之另一目的係提供單匝感應器熱處理沿著一工件之縱軸分佈之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之一方法。
本發明之另一目的係提供經改良地單發熱處理沿著一凸輪軸之軸向長度分佈之緊密間隔之多個凸輪凸部之一單匝感應器。
本發明之另一目的係提供單匝感應器熱處理沿著一凸輪軸之軸向長度分佈之緊密間隔之多個凸輪凸部之一方法。
本發明之另一目的係提供經改良地單發熱處理沿著一三凸部凸輪軸之軸向長度分佈之一三凸部群組中之緊密間隔之多個凸輪凸部之一單匝感應器。
本發明之另一目的係提供單匝感應器熱處理沿著一三凸部凸輪軸之軸向長度分佈之一三凸部群組中之緊密間隔之多個凸輪凸部之一方法。
在一態樣中本發明係一種用於感應熱處理沿著一工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之單發感應器。該單發感應器具有多個平面弧形單匝線圈區段，其等由一軸向線圈區段彼此分離，使得當緊密間隔之多個偏心圓柱形組件插入於該單發感應器內時，在該熱處理程序期間，該多個平面弧形單匝線圈區段之各者循序熱處理繞該單發感應器之該中心軸旋轉之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件。
在另一態樣中本發明係一種使用一單發感應器熱處理沿著一工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之方法，該單發感應器具有多個平面弧形單匝線圈區段，其等由一軸向線圈區段彼此分離，使得當緊密間隔之多個偏心圓柱形組件經插入於該單發感應器內時，在該熱處理程序期間，該多個平面弧形單匝線圈區段之各者循序熱處理繞該單發感應器之該中心軸旋轉之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件。
在本發明之一態樣中係一種用於感應熱處理沿著一凸輪軸之縱軸配置之緊密間隔之多個凸輪凸部之單發感應器。該單發感應器具有多個平面弧形單匝線圈區段，其等由一軸向線圈區段彼此分離，使得當緊密間隔之該多個凸輪凸部經插入於該單發感應器內時，在該熱處理程序期間，該多個平面弧形單匝線圈區段之各者循序熱處理繞該單發感應器之該中心軸旋轉之緊密間隔之該多個凸輪凸部。
在本發明之另一態樣中係一種使用一單發感應器熱處理沿著一凸輪軸之該縱軸配置之緊密間隔之多個凸輪凸部之方法，該單發感應器具有多個平面弧形單匝線圈區段，其等由一軸向線圈區段彼此分離，使得當經緊密間隔之該多個凸輪凸部插入於該單發感應器內時，在該熱處理程序期間，該多個平面弧形單匝線圈區段之各者循序熱處理繞該單發感應器之該中心軸旋轉之緊密間隔之該多個凸輪凸部。
在此說明書及隨附申請專利範圍中提出本發明之上文中之態樣及其他態樣。
10‧‧‧單發感應器
10a‧‧‧第一平面弧形單匝線圈區段
10b‧‧‧第一軸向線圈區段
10c‧‧‧第二平面弧形單匝線圈區段
10d‧‧‧第二軸向線圈區段
10e‧‧‧第三平面弧形單匝線圈區段
12‧‧‧感應器總成
14a‧‧‧第一電源終端
14b‧‧‧第二電源終端
16‧‧‧電絕緣體
18a‧‧‧感應器總成導管
18b‧‧‧感應器總成導管
62‧‧‧通量集中器
70‧‧‧三凸部凸輪軸
72a‧‧‧三凸部群組
72b‧‧‧三凸部群組
72c‧‧‧三凸部群組
72d‧‧‧三凸部群組
74a‧‧‧凸輪凸部
74b‧‧‧凸輪凸部
74c‧‧‧凸輪凸部
74d‧‧‧凸輪凸部
74e‧‧‧凸輪凸部
74f‧‧‧凸輪凸部
74g‧‧‧凸輪凸部
74h‧‧‧凸輪凸部
74i‧‧‧凸輪凸部
74j‧‧‧凸輪凸部
74k‧‧‧凸輪凸部
74l‧‧‧凸輪凸部
78‧‧‧軸件
80‧‧‧單匝感應線圈/單匝感應器
80'‧‧‧寬度面
81‧‧‧內部水冷卻通道
82‧‧‧三匝感應器
82a‧‧‧外部末端匝
82b‧‧‧中間線圈匝
82c‧‧‧外部末端匝
84‧‧‧四匝感應器
84a‧‧‧外部末端線圈匝
84b‧‧‧中間線圈匝
84c‧‧‧中間線圈匝
84d‧‧‧外部末端線圈匝
90‧‧‧傳統凸輪軸
92a‧‧‧凸輪凸部群組
92b‧‧‧凸輪凸部群組
92c‧‧‧凸輪凸部群組
92d‧‧‧凸輪凸部群組
94a‧‧‧凸輪凸部
94b‧‧‧凸輪凸部
94c‧‧‧凸輪凸部
94d‧‧‧凸輪凸部
94e‧‧‧凸輪凸部
94f‧‧‧凸輪凸部
94g‧‧‧凸輪凸部
94h‧‧‧凸輪凸部
95a‧‧‧凸部鼻區域
95b‧‧‧凸部鼻區域
97a‧‧‧基圓
97b‧‧‧基圓
98‧‧‧圓柱形軸件
99a‧‧‧齒腹
99b‧‧‧齒腹
如在下文中簡要概述，提供隨附圖式係為了本發明之例示性理解且非如本文中進一步提出之限制本發明。
圖1係可用於一內燃引擎中之一傳統凸輪軸之一實例之一等角視圖。
圖2(a)及圖2(b)係兩個類型之凸輪凸部輪廓之實例。
圖3繪示一典型單匝感應器。
圖4(a)繪示一三凸部凸輪軸之一實例。
圖4(b)繪示與一三凸部凸輪軸一起使用之一凸輪凸部輪廓之一實例。
圖5(a)繪示在圖4(a)中展示之凸輪軸上之一三凸部群組中之凸輪凸部。
圖5(b)繪示使用一單匝感應器感應熱處理圖5(a)中展示之三凸部群組中之凸輪凸部之一方法。
圖6(a)繪示使用一三匝感應器感應熱處理圖5(a)中展示之三凸部群組中之凸輪凸部之一方法。
圖6(b)繪示使用一三匝感應器感應熱處理圖5(a)中展示之三凸部群組中之凸輪凸部之另一方法。
圖7繪示使用一四匝感應器感應熱處理圖5(a)中展示之三凸部群組之一方法。
圖8(a)及圖8(b)係用於熱處理沿著一工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之本發明之一單發感應器之一實例之俯視圖及側視圖。
圖8(c)係指示穿過55°之線1-1、90°之線2-2及153°之線3-3之側視橫截面圖之圖8(a)中展示之單發感應器之俯視圖。
圖9、圖10及圖11係安裝於一感應器總成中之圖8(a)及圖8(b)中展示之本發明之單發感應器之多種視圖。
圖12(a)至圖12(c)繪示隨著一工件組件在單發感應器內旋轉使用圖8(a)中展示之單發感應器之第一平面弧形單匝線圈部、第二平面弧形單匝線圈部及第三平面弧形單匝線圈區段之循序感應加熱。
圖13(a)至圖13(c)呈橫截面圖繪示隨著一工件組件在單發感應器內旋轉使用圖8(c)中展示之單發感應器之第一、第二及第三平面弧形單匝線圈區段之循序感應加熱。
圖14(a)至圖14(c)呈橫截面圖繪示在一磁通量補償器之應用之情況下隨著一工件組件在單發感應器內旋轉使用圖8(c)中展示之單發感應器之第一、第二及第三平面弧形單匝線圈區段之循序感應加熱。
圖8(a)及圖8(b)繪示用於熱處理沿著一工件之縱軸配置之緊密間 隔之多個偏心圓柱形組件之一單發感應器10之一實例。本文中使用之術語「緊密間隔」意指在緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之一群組中之相鄰偏心圓柱形組件之間之距離不大於2至5mm，如本文中所揭示(例如)對於其中工件係一三凸部凸輪軸之一三凸部群組。
在此實例中，單發感應器10係包括五個循序單匝線圈片段之一單匝感應線圈，該五個循序單匝線圈片段由第一平面弧形單匝線圈區段10a、第一軸向線圈區段10b、第二平面弧形單匝線圈區段10c、第二軸向線圈區段10d及第三平面弧形單匝線圈區段10e循序形成。
在此實例中，全部五個循序單匝線圈區段具有一共同線圈區段縱向中心軸C(圖9)，其中第一軸向線圈區段及第二軸向線圈區段經定向平行於共同線圈區段縱向中心軸C，且第一平面弧形單匝線圈區段、第二平面弧形單匝線圈區段及第三平面弧形單匝線圈區段經平面定向在平面橫截面中垂直於共同線圈區段縱向中心軸C且由第一軸向線圈區段及第二軸向線圈區段彼此平面隔開。例如如圖9中，第一平面弧形單匝線圈區段、第二平面弧形單匝線圈區段及第三平面弧形單匝線圈區段之平面橫截面將位於一X-Z平面中，且第一軸向線圈區段及第二軸向線圈區段將與X軸一起經定向平行於共同線圈區段縱向中心軸C，其中X、Y及Z界定一三維笛卡爾直角座標系統。
在此實例中，外部(第一及第三)末端平面弧形單匝線圈區段10a及10e相對於共同線圈區段縱向中心軸C之內部曲率半徑rc1大於中心(第二)平面弧形單匝線圈區段10c相對於共同線圈區段縱向中心軸C之內部曲率半徑rc2。
單發感應器10可安裝於一適當感應器總成12中，如例如圖9、圖10及圖11中所示。單發感應器10之外部末端區段(即第一平面弧形單匝線圈區段10a及第三平面弧形單匝線圈區段10e)可分別在感應器總成中之電源終端14a及14b中終止，其中電絕緣體16分離可連接至一適 當交流電源(圖示中未展示)之兩個電源終端。例如第一電源終端14a可連接至一第一交流電源輸出，且第二電源終端14b可連接至一第二交流電源輸出，使得第一交流電源輸出及第二交流電源輸出可自電源供應交流電，以在單發感應器周圍建立一磁場，用於插入於單發感應器中之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之群組之通量耦合及感應加熱。
平面弧形單匝線圈區段之加熱面對表面之寬度(即，面對工件之一線圈區段之側)可關於各個平面弧形單匝線圈區段變動以容納經熱處理之偏心圓柱形組件(例如，凸輪凸部)之寬度變動。舉例而言，如圖8(b)中所繪示，平面弧形單匝線圈區段10a及10e之加熱面對表面之寬度wsec1可小於平面弧形單匝線圈區段10c之加熱面對表面之寬度wsec2。
若單發感應器10由一流體介質內部冷卻，則可提供感應器總成導管18a及18b且將其等連接至一流體冷卻介質之供應及返回以用於冷卻介質通過單發感應器內之一內部通道之流動。例如可在感應器總成中提供一冷卻流體介質供應埠用於流體冷卻介質至感應器總成內之一內部供應通道之供應，且可在感應器總成中提供一冷卻流體介質返回埠用於一冷卻流體介質自感應器總成內之一內部返回通道之返回。可在單發感應器之第一平面弧形單匝線圈區段、第一軸向線圈區段、第二平面弧形單匝線圈區段、第二軸向線圈區段及第三平面弧形單匝線圈區段之內部內提供一連續內部單發感應器冷卻通道，其中感應器總成中之內部供應通道連接至第一平面弧形單匝線圈區段中之連續內部單發感應器冷卻通道中之一內部感應器進入埠及第三平面弧形單匝線圈區段中之連續內部單閥感應器冷卻通道中之一內部感應器排出埠，使得冷卻流體介質自冷卻流體介質之供應流動至冷卻流體介質之返回。
為了使用圖式中展示之單發感應器10之實施例熱處理沿著一工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件，緊密間隔之多個偏心圓柱形組件經插入於單發感應器中，如圖11中關於軸件78上之三凸部群組72a之凸輪凸部所展示。
單發感應器內之凸輪軸及三凸部群組(其係凸輪軸之一部分)在靜態單發感應器10內旋轉，以藉由與流動通過單發感應器之交流電電磁耦合達實現三凸部群組中之凸輪凸部之所要圓周加熱所需之一時間段而感應加熱三凸部群組中之各個凸部。在本發明之此實例中，凸輪凸部之三凸部群組(凸輪軸)之中心工件軸X(當其等經插入於單發感應器中時)與共同線圈區段縱向中心軸C重合。隨著三凸部群組(凸輪軸)在單發感應器內做一360°旋轉，三個平面弧形單匝線圈區段10a、10c及10e之各者循序感應加熱凸輪凸部之三凸部群組之一區段。例如參考圖12(a)至圖12(c)之角度符號，且參考在0°處開始之三凸部群組中之一凸輪凸部之一軸向工作表面區域，且三凸部群組(凸輪軸)在順時針方向中旋轉，對於77°之旋轉，第一(上部末端)平面弧形單匝線圈區段10a感應加熱三凸部群組；對於接下來之206°之旋轉，第二(中間)平面弧形單匝線圈區段10c感應加熱三凸部群組；且對於完整360°之最終77°之旋轉，第三(下部末端)平面弧形單匝線圈區段10e感應加熱三凸部群組72a。第一軸向線圈區段10b及第二軸向線圈區段10d非顯著有助於感應加熱且主要在平面弧形單匝線圈區段10a、10c及10c執行循序感應加熱時提供第一平面弧形單匝線圈區段、第二平面弧形單匝線圈區段與第三平面弧形單匝線圈區段之間之一軸向偏移距離。
圖13(a)至圖13(c)呈橫截面圖繪示(參考圖8(c))隨著經插入工件旋轉360°，平面弧形單匝線圈區段之主動感應加熱。圖13(a)呈橫截面繪示在55°旋轉處之平面弧形單匝線圈區段10a及10c之主動感應加熱；圖13(b)呈橫截面繪示在90°旋轉處之平面弧形單匝線圈區段10c之主動 感應加熱；且圖13(c)呈橫截面繪示在153°旋轉處之平面弧形單匝線圈區段10c及10e之主動感應加熱。在此實施例中，第一平面弧形單匝線圈區段及第三平面弧形單匝線圈區段分別自外部末端凸輪凸部74a及74c軸向地偏移設置，如圖示中所示。
平面弧形單匝線圈區段對於三凸部群組中之各個凸部之相對軸向定位及各個平面弧形單匝線圈區段之弧形長度控制各個凸輪凸部中之感應加熱強度。例如在此實施例中第二平面弧形單匝線圈區段10c之內部橫截面半徑rc2小於第一外部末端平面弧形單匝線圈區段10a及第三外部末端平面弧形單匝線圈區段10c之內部橫截面半徑rc1，以提供第二平面弧形單匝線圈區段與較寬中心凸部74a之間之較大電磁耦合。
此外，若一平面弧形單匝線圈區段之內部橫截面半徑與一凸輪凸部平面重合，則平面弧形區段之內部曲率半徑必須大於凸輪凸部之最大橫截面半徑。
圖14(a)至圖14(c)呈橫截面圖繪示隨著經插入工件旋轉通過360°，平面弧形單匝線圈區段之主動感應加熱，其中如圖示中所示，在第二平面弧形單匝線圈區段10c之三側周圍增加「U」形狀之磁通量集中器62，以增加第二平面弧形單匝線圈區段之感應熱強度，且防止相鄰外部末端凸輪凸部74b及74c之過熱。圖14(a)呈橫截面繪示在55°旋轉處之平面弧形單匝線圈區段10a及10c之主動感應加熱；圖14(b)呈橫截面繪示在90°旋轉處之平面弧形單匝線圈區段10c之主動感應加熱；且圖14(c)呈橫截面繪示在153°旋轉處之平面弧形單匝線圈區段10c及10e之主動感應加熱。具有「U」形狀或引導通量所需之其他形狀之一通量集中器可用於平面弧形單匝線圈區段之一或多者中，如對於經熱處理之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之一特定配置所需。
圖13(a)至圖14(c)中之橫截面圖係圖解的在於其等呈橫截面將一 三凸部群組中之全部三個凸輪凸部展示為圓柱形組件而各個凸輪凸部係一偏右圓柱形組件。如(例如)圖2(a)及圖2(b)中對於典型凸輪凸部所示，可取決於一特定凸輪凸部之鼻作用於其上之組件(例如，一閥)之所需時序位移角度，使給予凸輪凸部其偏心(非圓柱形)形狀之凸輪凸部鼻區域定位於不同軸向角度處(即，在垂直於軸X-X之一平面中之角度)。此鼻偏心可存在於圖13(a)至圖14(c)中之橫截面圖解圓柱形視圖之一或多者中。
在本發明之其他實例中，取決於在單發感應器內經感應加熱之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之組態，各個平面弧形單匝線圈區段之弧形長度可彼此不同。例如為了進一步補償經電磁解耦合之凸輪凸部之加熱不足且控制不同形狀之凸輪凸部之間之感應熱強度，相較於較佳耦合低質量及/或較薄寬度之凸輪凸部，對應於具有顯著減小之熱強度之凸輪凸部之平面弧形單匝線圈區段可具有更長弧形長度。
在本發明之其他實例中，可使用具有由三個或三個以上軸向線圈區段提供之軸向分離之三個以上平面弧形單匝線圈區段以形成本發明之一單匝單發感應器。
在本發明之其他實例中，除經熱處理之工件(組件)之旋轉之外，本發明之單發感應器可在熱處理程序期間沿著共同線圈區段縱向中心軸C移動。
可透過一單發感應器10循序熱處理一凸輪軸上之多個三凸部群組或可使用多個隔開之單發感應器10以同時加熱一凸輪軸上之多個三凸部群組之全部或一些。
淬火供應及分佈裝置可視情況具有單發感應器10以在熱處理之後淬火三凸部群組。
可在無靜態工件預熱程序步驟之情況下完成緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之上文中之單發感應器加熱。在本發明之其他實例中， 在凸輪軸之旋轉用於熱處理之前，可執行一或多個靜態工件預熱程序步驟以調整組件之中心區段(例如，中心凸部74a)之經減小熱強度(無旋轉)。
例如當緊密間隔之偏心圓柱形組件區域之一或多個區域(例如，三凸部群組72a中之寬中心凸部74a之跟部(基圓)區域)比其他區域需要更大加熱時，可在如本文中描述之旋轉加熱之前，旋轉中心凸部之跟部至(例如)圖13(b)中所示之位置，且當將電流施加至單發感應器以預熱跟部時靜態保持於該位置中。一般言之，可藉由緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之群組相對於其中插入群組之單發感應器之軸向旋轉而在緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之至少一群組之旋轉之前靜態預熱緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之至少一群組之一經選擇區段或若干區段。
作為如在先前段落中對準之單發感應器10內之靜態三凸部群組72a之一額外預熱程序步驟，單發感應器10可具有平面定位裝置，其容許(例如)減小圖13(b)中之橫截面徑向距離rc2，以進一步增加與中心凸輪凸部74a之工作表面電磁耦合。平面定位裝置將在垂直於共同線圈區段縱向中心軸C之一平面中移動單發感應器(或單發感應器內之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之群組)(例如)，以減小圖13(b)中之第二平面弧形單匝線圈區段10c與中心凸部74a之間之空間距離。在所需凸輪凸部區域之足夠靜態(無旋轉)預熱之後，單發感應器可徑向向外移動至具有橫截面徑向距離rc2之圖13(b)中所示之其旋轉加熱位置且接著可如上文中所述之執行旋轉加熱。
雖然上文中之實例解決一凸輪軸上之一三凸部群組中之凸輪凸部之熱處理，但運用適當重新配置，本發明之裝置及方法可應用於沿著一工件之縱軸配置之兩個或兩個以上緊密間隔之偏心圓柱體組件。
在上文中之描述中，為了解釋之目的，已提出多個特定需求及 若干特定細節以提供實例及實施例之一透徹理解。然而，熟悉此項技術者將瞭解，可在無此等特定細節之一些之情況下實施一或多個其他實例或實施例。未提供經描述之特定實施例以限制本發明而以繪示本發明。
貫穿此說明書指「一個實例或實施例」、「一實例或實施例」、「一或多個實例或實施例」或「不同實例或實施例」(例如)指一特定特徵可包含於本發明之操作中。為了簡單化本發明且幫助理解多種發明態樣之目的，在描述中有時將多種特徵分組在一起於一單一實例、實施例、圖式或其描述中。
依據較佳實例及實施例描述本發明。除了明確陳述之等效物、替代項及修改之外，可有等效物、替代項及修改且其等在本發明之範疇內。
10a‧‧‧第一平面弧形單匝線圈區段
10b‧‧‧第一軸向線圈區段
10c‧‧‧第二平面弧形單匝線圈區段
10d‧‧‧第二軸向線圈區段
10e‧‧‧第三平面弧形單匝線圈區段
14a‧‧‧第一電源終端
14b‧‧‧第二電源終端
16‧‧‧電絕緣體
18a‧‧‧感應器總成導管
18b‧‧‧感應器總成導管
74b‧‧‧凸輪凸部
78‧‧‧軸件

Claims (20)

  1. 一種用於一工件之一感應熱處理之單發感應器，該工件包括沿著該工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之至少一群組，該單發感應器包括形成一單匝線圈之一循序系列之交替平面弧形單匝線圈區段及軸向線圈區段，其中當緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組經插入於該單發感應器中且軸向旋轉通過360度時，至少該系列之交替平面弧形單匝線圈區段循序感應熱處理緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之經選擇組合。
  2. 如請求項1之單發感應器，其中該循序系列之交替平面弧形單匝線圈區段及軸向線圈區段包括一第一平面弧形單匝線圈區段；一第一軸向線圈區段；一第二平面弧形單匝線圈區段；一第二軸向線圈區段；及一第三平面弧形單匝線圈區段。
  3. 如請求項2之單發感應器，其中該第一平面弧形單匝線圈區段、該第一軸向線圈區段、該第二平面弧形單匝線圈區段、該第二軸向線圈區段及該第三平面弧形單匝線圈區段具有一共同縱向中心軸，且該第一軸向線圈區段及該第二軸向線圈區段經定向平行於該共同縱向中心軸，且該第一平面弧形單匝線圈區段、該第二平面弧形單匝線圈區段及該第三平面弧形單匝線圈區段經定向在平面橫截面中垂直於該共同縱向中心軸。
  4. 如請求項3之單發感應器，其中該第一平面弧形單匝線圈區段及該第三平面弧形單匝線圈區段相對於該共同縱向中心軸之一第一內部曲率半徑大於該第二平面弧形單匝線圈區段相對於該共同縱向中心軸之一第二曲率半徑。
  5. 如請求項4之單發感應器，其中該第一平面弧形單匝線圈區段之 一第一加熱面對表面、該第二平面弧形單匝線圈區段之該第二加熱面對表面及該第三平面弧形單匝線圈區段之該第三加熱面對表面不相同。
  6. 如請求項2、3、4或5之單發感應器，其進一步包括一感應器總成，該感應器總成包括：一第一電源終端，其連接至一第一交流電源輸出；及一第二電源終端，其連接至一第二交流電源輸出，該第一平面弧形單匝線圈區段連接至該第一電源終端且該第三平面弧形單匝線圈區段連接至該第二電源終端。
  7. 如請求項6之單發感應器，其進一步包括：一冷卻流體介質供應埠，其經安置於該感應器總成中用於一冷卻流體介質至該感應器總成內之一內部供應通道之一供應；一冷卻流體介質返回埠，其經安置於該感應器總成中用於該冷卻流體介質自該感應器總成內之一內部返回通道之一返回；一內部單發感應器連續冷卻通道，其係在該第一平面弧形單匝線圈區段、該第一軸向線圈區段、該第二平面弧形單匝線圈區段、該第二軸向線圈區段及該第三平面弧形單匝線圈區段之內部內，該內部供應通道與該第一平面弧形單匝線圈區段中之一內部感應器進入埠連通且該內部返回通道與該第三平面弧形單匝線圈區段中之一內部感應器排出埠連通藉此該冷卻流體介質自該冷卻流體介質之該供應流動至該冷卻流體介質之該返回。
  8. 如請求項1、2、3、4或5之單發感應器，其中該工件係一凸輪軸，且緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組包括凸輪凸部之一三凸部群組。
  9. 如請求項8之單發感應器，其中凸輪凸部之該三凸部群組包括與 一第一末端凸部及一第二末端凸部相鄰之一中心凸部，該第一末端凸部及該第二末端凸部經安置於該中心凸部之相對側上。
  10. 如請求項9之單發感應器，其中該中心凸部、該第一末端凸部及該第二末端凸部之各者具有在大於1.5：1或小於1：1.5之一範圍內之一凸部鼻直徑對凸部基圓直徑比率，且該中心凸部與該第一末端凸部及該第二末端凸部之各者之間之軸向距離不大於2mm。
  11. 一種使用一單匝感應器用於一工件之一單發感應熱處理之方法，該工件包括沿著該工件之縱軸配置之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之至少一群組，該單匝感應器用於該單發感應熱處理，該單匝感應器包括形成該單匝感應器之一循序系列之交替平面弧形線圈區段及軸向線圈區段，該方法包括：將具有緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之該工件裝載於該單匝感應器中；將交流電供應至該單匝感應器以在該循序系列之交替平面弧形線圈區段及該等軸向線圈區段周圍建立一磁通量；旋轉該單匝感應器中之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組，使得對於該單匝感應器內之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之各個360旋轉度，該等交替平面弧形線圈區段之至少各者循序熱處理緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之經選擇組合；及自該單匝感應器卸載該工件。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括：當旋轉該單匝感應器中之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組時定位緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之一中心軸與一感應器縱向中心軸重合之步驟。
  13. 如請求項11或12之方法，其中該循序系列之交替平面弧形線圈區段及軸向線圈區段包括一第一平面弧形線圈區段；一第一軸向線圈區段；一第二平面弧形線圈區段；一第二軸向線圈區段；及一第三平面弧形線圈區段，且緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組包括一第一外部偏心圓柱形組件、一第二外部偏心圓柱形組件及一中心偏心圓柱形組件，該第一外部偏心圓柱形組件及該第二外部偏心圓柱形組件經安置於該中心偏心圓柱形組件之相對軸向側上。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括：當旋轉該單匝感應器中之緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組時，分別自該第一外部偏心圓柱形組件及該第二外部圓柱形組件軸向偏移該第一平面弧形線圈區段及該第三平面弧形線圈區段。
  15. 如請求項13之方法，其中該中心偏心圓柱形組件比該第一外部偏心圓柱形組件及該第二外部偏心圓柱形組件更寬，且當在該單匝感應器中旋轉該工件時，該第二平面弧形線圈區段之該內部橫截面半徑小於該第一平面弧形線圈區段及該第三平面弧形線圈區段之該內部橫截面半徑。
  16. 如請求項11或12之方法，其進一步包括：當在該單匝感應器中旋轉該工件時，在該等交替平面弧形線圈區段之至少一者周圍定位一通量集中器。
  17. 如請求項12之方法，其進一步包括：當在該單匝感應器中旋轉該工件時，沿著該感應器縱向中心軸移動該單匝感應器。
  18. 如請求項11或12之方法，其中緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組包括緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之至少兩個群組，且緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少兩個群組之各者經循序定位於該單匝感應器中。
  19. 如請求項11或12之方法，其進一步包括：替代地在自該單匝感應器卸載該工件之前或之後，在旋轉緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之後，淬火緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組。
  20. 如請求項11或12之方法，其進一步包括：在旋轉緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之前，使用該單匝感應器靜態預熱緊密間隔之多個偏心圓柱形組件之該至少一群組之經選擇偏心圓柱形組件。
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