同时加热轴承部件多个部分的分体多线圈电感应热处理系统技术方案

主电感器电路连接到交流电源，无源电感器电路组装为可分离的分体电感器组件，以形成至少一对主加热电感器和无源加热电感器，其中主和无源电感器电路在没有物理连接的情况下电磁耦合。可以使轴承部件处于主和被动加热电感器产生的磁场中，以同时感应加热轴承部件上的一个或多个轴承特征，随后淬火轴承部件上的奥氏体化轴承特征。氏体化轴承特征。氏体化轴承特征。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】同时加热轴承部件多个部分的分体多线圈电感应热处理系统
相关申请的交叉引用
[0001]本申请主张2020年2月5日提交的第62/970,237号美国临时申请的权益，现将其全部内容通过引用并入本申请。


[0002]本专利技术一般涉及具有轴承特征(如轴承座圈和滚道)的轴承部件的电感应热处理，尤其是轴承座圈和滚道的选定特征需要冶金硬化的热处理。

技术介绍

[0003]本专利技术涉及例如，用于动力传动系、动力传动系和车轮的部件中的轴承内圈或外圈以及滚道或其他轴承特征的电感应热处理。轴承是关键的机器元件，它允许部件之间相互移动。根据具体应用，轴承座圈设计有许多变化，其中许多设计都是标准化的。这包括但不限于径向滚珠轴承和滚柱轴承，以及推力滚珠轴承和滚柱轴承。也有单列和多列轴承，以及单向和双向轴承设计。无论设计细节如何，都需要对轴承接触工作面进行处理，以确保其耐磨性和在轴承寿命内的强度，以及确保一些其他机械性能，而电感应淬火是这种热处理最常用的方法之一。
[0004]图1(a)在横截面透视图中示出了汽车工业中常用的轴承组件100的一种配置轴承内圈。大多数锻造轴承座圈的制造都使用各种钢种。在不太常见的应用中，也使用粉末冶金材料和铸铁。轴承座圈也可以通过增材制造技术生产，例如3D打印工艺。
[0005]图1(b)和图1(c)在平面立面横截面中说明了轴承组件100配置的轴承内圈感应表面硬化图案的两个替代示例。图1(b)显示了一个间断的轴承座圈硬化图案，其中包含两个圆周向冶金硬化区101和102(以实心黑色或交叉阴影着色的区域)，它们由非硬化圆周向区域103垂直分隔，如图1(a)和图1(b)所示。硬化区101和102是滚动元件(例如滚珠或滚柱)分别靠在轴承内圈101a和102a上的轴承特征或区域。根据具体应用，区域101和102的几何形状可以相同或不同。图1(b)中所示的硬化图案是最常见的模式，因为它提供了需要它们的轴承接触表面所需的机械性能，而不会硬化不发生接触磨损的区域，例如区域103。仅硬化轴承特征或区域101和102不仅有助于提供所需的工程特性和热处理后的最小变形特性，而且还减少了热处理所需的电能。
[0006]图1(c)示出了在某些特定应用中使用的替代类型的硬化图案104(实心黑色阴影区域或横截面区域)。在这种类型的硬化图案中，除了内轴承接触面(轴承特征或区域101a和102a)被感应硬化外，分隔内轴承接触面的区域103也被感应硬化。图案104通常与至少两个不希望的工件和工艺因素有关：过度变形特性和硬化所有三个区域(即区域101、102和103)所需的电能显著增加。与图1(c)所示的硬化模式相比，图1(b)所示的硬化模式是最常见的，这就是其中的一些原因。
[0007]为了感应热处理轴承座圈，在一些工艺过程中，感应加热线圈移动到加热位置(方法A)；然而，在其他过程中，感应加热线圈是静态的，轴承座圈(即轴承部件(工件)轴承特征
或待热处理区域)被移动到加热位置(方法B)。本文公开的本专利技术可用于方法A或方法B或方法A和B组合的热处理设备和工艺中，其中感应加热线圈和轴承座圈相对彼此移动。
[0008]传统的单匝或多匝螺线管型线圈(例如，传统的现有技术双匝线圈)通常用于轴承座圈的热处理表面。一感应线圈位于轴承座圈外部(在围绕轴承座圈的配置中)，用于对座圈的外表面进行热处理。一感应线圈位于轴承座圈内部，用于对其内(内部)轴承表面进行热处理。为方便起见，本专利技术通常在本文中描述用于例如轴承座圈和滚道等内轴承特征的感应淬火(热处理)，但也适用于轴承外部特征或轴承部件表面的热处理。例如，图1(d)和图1(e)示出了典型配置的轴承座圈组件100
′
的代表性透视图，其中外(外部)表面100
′
a需要硬化。图1(f)、图1(g)、图1(h)和图1(i)示出了轴承组件400的配置轴承外圈的平面截面，该轴承组件400具有不需要感应硬化的内表面区域401和包含必须感应硬化的外(外)表面402的轴承特征或区域。取决于特定应用，如图1(h)中所示(在交叉阴影区域405中)的外(外部)表面402的整个区域可能需要感应表面硬化；可选的，选择性轴承特征或区域(每个选择性区域在交叉阴影中着色)，例如图1(f)中所示的选择性区域403，图1(g)中所示的选择区域404或之前提到的图1(h)中所示的选择区域405，以及图1(i)中的选择区域406可能需要感应表面硬化。图1(i)所示的硬化图案表示间断硬化图案的示例。
[0009]与用于加热轴承外表面(或外径)的类似线圈相比，内部圆柱形感应线圈的有效性在很大程度上取决于线圈到工件(待硬化的轴承特征)的磁场耦合间隙。随着磁场耦合间隙的增加，内部线圈的电效率迅速降低。因此，为了提高加热电气效率并将能耗降至最低，必须使线圈与工件的场耦合间隙尽可能小。
[0010]用于加热内(内部)表面的螺线管型电感器不如用于加热轴承外(外部)表面的类似电感器(也称为线圈或感应线圈)效率高的原因与电磁环效应有关。根据电磁环效应，线圈电流集中在代表低阻抗路径的螺线管型线圈的内径上，如Handbook of Induction Heating(second edition；CRC Press；Boca Raton，FL，United States)(第二版；CRC出版社；美国佛罗里达州博卡拉顿)第3.1.5节所述。加热内(内部)径表面时，线圈内径是距离加热内径表面最远的区域。因此，线圈和被加热工件(即要加热的轴承特性)之间的电磁耦合大于工件内(内部)径和感应线圈外径之间的实际气隙。这导致线圈
‑
工件场耦合不良(也称为空间接近)，因此导致线圈效率显著降低。
[0011]通常要求在内部电感器内安装磁通量集中器，以提高线圈的电气效率并减少线圈电流，尤其是用于加热小到中等直径的内表面。磁通集中器产生电磁槽效应，其对线圈电流分布的影响比电磁环效应大得多，并迫使线圈电流移向线圈外部区域，使其更靠近加热工件的表面。这增加了需要加热的(轴承部件)工件内表面的磁场强度和热强度。
[0012]为了最大限度地减少感应热处理后的变形，并实现热处理性能，以延长轴承座圈的使用寿命，重要的是热处理过程应达到足够的最小硬度层深度，但应避免：(1)导致局部表层深度过深；(2)奥氏体化过程中温度过高；和(3)每个轴承接触面内的硬度层深度(例如在图1(b)中配置的轴承内圈的区域101a和102a中)的不同硬度层深度不成比例相差过大。这些热处理特性是为什么在每个轴承接触表面区域101a和102a内获得尽可能均匀的硬度图案通常是非常理想的原因之一。
[0013]几个因素使得在轴承特征或区域101a和102a中获得足够均匀的硬度图案具有挑战性。第一个因素与(轴承部件)工件几何形状的复杂性有关，例如图1(a)至图1(c)中的工
件几何形状。由于电磁边缘效应而有吸引磁场的倾向的拐角区域可能会产生更深的硬度层深度。除此之外，在包括表面区域101a和102a的轴承特征附近，存在形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种分体式多线圈电感应加热系统，其具有分体式电感器组件，用于同时加热轴承部件上的多个轴承特征，所述分体式电感器组件包括从轴承部件加热位置可分离的主电感器组件和无源电感器组件，所述分体式多线圈电感应加热系统包括：主电感器电路，设置在所述主电感器组件上，该主电感器电路包括：主加热电感器，用于加热至少一个第一轴承特征；主磁通耦合器；主电感器电路电源端子；以及主电感器电路导体网络，其将所述主电感器电路电源端子连接到所述主加热电感器，所述主磁通耦合器设置为靠近所述主电感器电路导体网络并通过气隙或介电材料间隙与所述主电感器电路导体网络物理隔离；以及无源电感器电路，布置在所述无源电感器组件上，该无源电感器电路包括：无源加热电感器，用于加热至少一个第二轴承特征；无源磁通耦合器；以及无源电感器电路导体网络，与所述无源加热电感器形成闭合串联电路，所述无源磁通耦合器布置在所述无源电感器电路导体网络附近并与所述无源电感器电路导体网络物理分离，所述无源磁通耦合器位于所述主磁通耦合器附近并通过气隙或介电材料间隙与所述主磁通耦合器物理分离，从而当所述主电感器电路和无源电感器电路处于轴承部件加热位置时，在该位置感应加热所述至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征，并且主电路交流电施加于所述主电感器电路电源端子时，主电感器电路磁场通过与主磁通耦合器磁耦合的无源磁通耦合器与所述无源电感器电路耦合，以在所述无源电感器电路导体网络中产生无源电路交流电。2.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，其中所述主加热电感器包括单匝螺线管线圈，并且所述无源加热电感器包括单匝螺线管线圈。3.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，其中所述至少一个第一轴承特征或所述至少一个第二轴承特征至少部分地位于所述主加热电感器或无源加热电感器的外部周围，以感应加热所述轴承部件的内部轴承特征。4.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，其中所述至少一个第一轴承特征或所述至少一个第二轴承特征至少部分位于所述主加热电感器或无源加热电感器的内部周围，以感应加热所述轴承部件的外部轴承特征。5.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，其中所述主加热电感器和无源加热电感器配置为反向的瞬时电流流动。6.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，进一步包括分体式电感器组件定位装置，其配置为以下替换地：(a)将所述主电感器组件的主加热电感器与所述无源电感器组件的无源加热电感器纵向对齐，并在所述至少一个第一轴承特征被定位用于利用所述主加热电感器进行感应加热并且所述至少一个第二轴承特征被定位用于利用所述被动加热电感器进行感应加热，以同时加热所述至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征时，将所述无源磁通耦合器放置在所述主磁通耦合器附近并与所述主磁通耦合器物理分离；和(b)将所述主电感器组件的主加热电感器与所述无源电感器组件的无源加热电感器纵
向分开，从而将所述轴承部件定位在轴承部件加热位置，以感应加热所述至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征，或者在轴承部件加热位置感应加热所述至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征后移除所述轴承部件。7.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，进一步包括淬火系统，用于在感应加热后淬火所述至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征的奥氏体化区域，所述淬火系统具有淬火剂施加装置，用于替代地或组合地在所述轴承部件加热位置、在从所述轴承部件加热位置到远程淬火站的转移过渡中、在所述远程淬火站处进行淬火。8.根据权利要求1所述的分体式多线圈电感应加热系统，进一步包括与所述主加热电感器电串联的第二主加热电感器和与所述无源加热电感器电串联的第二无源加热电感器，配置用于分别加热在第二轴承部件上的至少一个第一轴承特征和至少一个第二轴承特征。9.根据权利要求8所述的分体式多线圈电感应加热系统，其中所述主电感器组件和无源电感器组件配置为与轴承工件加热站相邻，所述分体式多线圈感应加热系统还包括：旋转台，包括：轴承工件转台热前加载和热后卸载工位，用于将所述轴承部件和所述第二轴承部件加载到所述旋转台，以及将所述轴承部件和第二轴承部件从所述旋转台卸载；轴承工件加热工位，用于将所述轴承部件和第二轴承部件加载到所述主电感器组件和无源电感器组件，用于感应加热，并在感应加热后从所述主电感器组件和无源电感器组件卸载所述轴承部件和第二轴承部件；轴承工件淬火工位，用于感应加热后淬火所述轴承部件和第二轴承部件；和旋转致动器，用于从所述轴承工件转台热前加载和热后卸载工位、所述轴承工件加热工位、所述轴承工件淬火工位和轴承工件转台热前加载和热后卸载工位移动所述轴承部件和第二轴承部件。10.一种分体式多线圈电感应加热系统，具有分体式电感器组件，用于同时加热轴承部件上的多个轴承特征，所述分体式电感器组件包括从轴承部件加热位置可分离的主电感器组件和无源电感器组件，所述分体式多线圈电感应加热系统包括：主电感器电路，布置在主电感器组件上，所述主电感器电路包括：主加热电感器，用于加热第一轴承特征，该主加热电感器包括单匝主螺线管线圈，布置在第一心轴端部，围绕具有垂直方向心轴中心纵向轴线的垂直方向心轴的外心轴周长；主磁通耦合器；主电感器电路电源端子；和主电感器电路导体网络，将所述主电感器电路电源端子连接到所述主加热电感器，所述主磁通耦合器布置在所述主电感器电路导体网络附近并与所述主电感器电路导体网络物理分离；和无源电感器电路，布置在所述无源电感器组件上，所述无源电感器电路包括：无源加热电感器，用于加热第二轴承特征；该加热电感器包括单匝无源螺线管线圈，布置在第一支撑结构端部，围绕具有垂直方向支撑结构中心纵轴的垂直方向支撑结构的外支撑结构周长；无源磁通耦合器；和无源电感器电路导体网络，与所述无源加热电感器形成闭合串联电路，所述无源磁通
耦合器与所述无源电感器电路导体网络相邻布置、并由气隙或介电材料间隙隔开，所述无源磁通耦合器位于所述主磁通耦合器附近并与所述主磁通耦合器物理分离，使得当所...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦莱里，
申请(专利权)人：感应加热有限公司，
类型：发明
国别省市：