專利名稱：用于曲軸的感應(yīng)加熱淬火裝置的制作方法
本專利申請是目前懸而未決的在1997年10月29日提交的美國No．08／959，799專利申請的部分繼續(xù)專利申請。
本發(fā)明通常涉及用于感應(yīng)加熱和淬硬曲軸的方法和裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及感應(yīng)加熱和淬硬曲軸，該曲軸既可水平放置又可豎直放置，其中感應(yīng)線圈部件(或組件)不與被感應(yīng)加熱淬火的曲軸的表面接觸。當(dāng)曲軸以預(yù)定的RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))旋轉(zhuǎn)時，使用計算機控制的伺服電機與X和Y驅(qū)動系統(tǒng)來相對于曲軸的曲柄銷部分定位和移動感應(yīng)線圈組件。感應(yīng)線圈組件的運行基于數(shù)學(xué)公式和曲軸幾何形狀，包括曲軸尺寸和將被感應(yīng)淬火的曲柄銷部分相對于曲軸的長軸的位置。
汽車的曲軸由一系列曲柄銷制成，在線形發(fā)動機中，每一個汽缸有一個，或者在V型發(fā)動機中，每一對汽缸有一個。曲軸的功能是把活塞和連桿的往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。曲軸的行程等于發(fā)動機的沖程。曲軸需要完全平衡以便消除離心力，因此，曲軸由與相應(yīng)的曲柄銷(或銷)相對放置的重物來平衡。每個銷收容在相應(yīng)的的連桿的一端中，該連桿的另一端固定在一個活塞上。曲軸上還形成有支撐軸承面，可容納主軸承。六汽缸直線曲軸通常具有七個主軸承。
由于銷和軸承面上的的負載和磨損，曲軸的這些部分的硬度很重要。其中獲得此種硬度的一種方法是感應(yīng)加熱，然后淬硬這些關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)上，進行該方法時使曲軸處于水平位置，當(dāng)曲軸由于感應(yīng)加熱溫度升高時，一個支撐件移進定位，以便支撐曲軸，使之不下陷。這種傳統(tǒng)的方法還涉及感應(yīng)線圈和／或感應(yīng)線圈組件的一部分，它們與將要感應(yīng)加熱和淬硬的表面接觸(實際上跨在這些表面上)。這種金屬與金屬之間的接觸加劇了線圈組件的磨損，需要定期更換線圈組件。需要定期更換感應(yīng)線圈組件不僅增加了成本而且降低了感應(yīng)淬火設(shè)備的壽命。
通過使曲軸水平定位，當(dāng)曲軸在頂尖之間旋轉(zhuǎn)時，由于感應(yīng)線圈組件有利于“跨”在銷和軸承面上，實際上，鼓勵感應(yīng)線圈組件與曲軸的關(guān)鍵表面的接觸。由于關(guān)鍵表面與線圈組件接觸，這種傳統(tǒng)的使感應(yīng)線圈組件的功能象一個隨動機構(gòu)的方法并不要求任何獨立的用于感應(yīng)線圈組件的驅(qū)動系統(tǒng)。但是，看起來，線圈組件與將要感應(yīng)淬火的曲軸的部分的直接接觸有一些缺點，不僅僅由于對感應(yīng)線圈組件和水平安裝的曲軸的磨損，而且有下述的原因。
當(dāng)感應(yīng)線圈組件與銷和／或軸承面接觸時，很難鑒別線圈組件的磨損狀態(tài)。通過直接跨在曲軸表面上，可有效的使感應(yīng)線圈組件的接觸面不被看見，由此很難估計線圈組件上的磨損水平或程度。這依次意味著感應(yīng)線圈組件可運行的更長，并達到其被擊穿的點，這通常毀壞部件和損壞線圈組件。線圈組件和曲軸之間的接觸經(jīng)常導(dǎo)致?lián)p壞或磨壞曲軸表面，這要求額外的將在以后被切削掉的磨損余量，以便磨掉表面缺陷。然后，要求一個延長的淬火后步驟。
如果能提供一個裝置使得感應(yīng)線圈組件不必與銷和軸承面接觸，這將是一個對感應(yīng)淬火曲軸的本方法和裝置的改進。這樣一種裝置將大大延長線圈組件的使用壽命。還應(yīng)感到，使曲軸豎直定位將是有利的。當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)不能設(shè)想出任何解決已經(jīng)指出的問題的方案時，本發(fā)明提供了一個在兩方面都有所改進的改進的方法和裝置。
根據(jù)本發(fā)明，即使本發(fā)明在曲軸水平定位的情況下工作的很好，但將要感應(yīng)淬火的曲軸可被豎直定位。此外，設(shè)置一個感應(yīng)線圈組件用于曲軸曲柄銷，其在第一工位進行操作。設(shè)置一個單獨的感應(yīng)線圈組件或一系列線圈組件用于軸承面，在第二工位進行操作。這些線圈組件被設(shè)計成不與線圈組件將要感應(yīng)淬火的曲軸表面接觸。這改進了線圈組件的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明，使用曲軸的幾何形狀和尺寸來限定各個銷的路徑或軌道，并且，計算用于各個感應(yīng)線圈組件的跟蹤路徑，并編進合適的控制線圈組件運行的驅(qū)動系統(tǒng)中。當(dāng)軸承面也具有一個軌道時，這些軌道與曲軸的旋轉(zhuǎn)軸同心。因此，用于這些軸承面的線圈組件(或多個組件)不必在一個相配的軌道中運行，而是靜止不動。本發(fā)明的另一個實施例提供了一種設(shè)計變型，考慮了平衡重的存在或可能影響與曲軸曲柄銷鄰近的質(zhì)量平衡(熱平衡)的其它任何因素。
當(dāng)其它設(shè)計建議工件的豎直定位時，這些其它設(shè)計限于凸輪軸，而不是曲軸。在這兩種類型的驅(qū)動元件之間也有很多不同，幾種建議的涉及凸輪軸的技術(shù)幾乎不與本發(fā)明和由本發(fā)明提出和解決的方案相關(guān)聯(lián)。
例如，凸輪軸的各個凸輪軸向安裝，凸輪幾何體的凸出部分的尺寸相當(dāng)小。這并不是簡單的象對曲軸的銷一樣是對凸輪的偏轉(zhuǎn)尺寸位移。不管凸輪軌道是否存在，都會產(chǎn)生基本尺寸的運行銷軌道。因此，隨著設(shè)計曲軸出現(xiàn)更大的挑戰(zhàn)性，這使得設(shè)計合適的感應(yīng)線圈跟蹤裝置有不同的挑戰(zhàn)性和問題。
關(guān)于曲軸和凸輪軸之間的比較，曲柄銷的外形是對稱的，要求均勻的表面硬化深度。凸輪軸的凸輪不對稱，不要求均勻的表面硬化深度。因此，感應(yīng)線圈組件不必隨著凸輪而動，不必在一個相配合的軌道中移動線圈組件便可感應(yīng)淬火凸輪。不必位移感應(yīng)線圈組件便可達到需要的表面硬化深度圖形。凸輪上的相對低負載意味著要求的硬化深度可小于曲軸曲柄銷的硬化深度，使得感應(yīng)淬火的需要減少。而對凸輪軸使用本發(fā)明，沒有這樣做的原因。
本發(fā)明提出的另一個特征是處理設(shè)備和相配的工位的布置。為了進行高效的處理，本發(fā)明具有多個工位，用于以連續(xù)的動作進行工件的裝載、感應(yīng)淬火和卸載。
一個工位被設(shè)計成用于曲軸曲柄銷的感應(yīng)淬火。另一個工位被設(shè)計成用于軸承面的感應(yīng)淬火。由于能以任何的順序?qū)︿N和軸承面進行感應(yīng)淬火，所以這兩個工位可布置成任何順序。由于軸承面與支承曲軸的頂尖同軸，用于軸承面的感應(yīng)線圈組件可在與旋轉(zhuǎn)軸(曲軸的長軸)重合的軌道中運行。相比較，接下來感應(yīng)淬火的銷(通常一次一個銷)不在軸上，并且一個銷到下一個銷相對于曲軸的位置具有不同的圓周位置。
盡管曲軸的感應(yīng)淬火是已知的，曲軸的豎直定位是已知的，但本發(fā)明仍具有新穎性和非顯而易見性。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征的組合與現(xiàn)有技術(shù)相比有很多優(yōu)點，迄今為止，本發(fā)明的供不應(yīng)求證實了其在本領(lǐng)域中的新穎性和非顯而易見的進步。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種用于感應(yīng)加熱和淬硬工件的感應(yīng)淬火裝置包括一個用于在工件位置處定位和支撐工件的固定設(shè)備；一個用于轉(zhuǎn)動工件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器；一個感應(yīng)淬火臺，其鄰近工件位置并包括一個感應(yīng)線圈組件和一個用于以預(yù)定的路徑移動感應(yīng)線圈組件的定位系統(tǒng)；一個控制器，用于基于將要感應(yīng)淬火的工件的一部分的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生線圈路徑數(shù)據(jù)，該控制器有效地與定位系統(tǒng)和在工件轉(zhuǎn)動時在軌道路徑中移動的工件的部分相連，其中由定位系統(tǒng)產(chǎn)生的預(yù)定路徑跟蹤軌道路徑，使得感應(yīng)線圈組件和工件轉(zhuǎn)動時的工件部分之間的間距保持均勻，移動感應(yīng)線圈組件以便其不與工件部分接觸。
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的用于工件的感應(yīng)淬火裝置。
本發(fā)明相關(guān)的目的和優(yōu)點將在下面的描述中變得更加清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例的一個用于曲軸的銷的感應(yīng)淬火裝置的側(cè)視圖。
圖2是圖1的感應(yīng)淬火裝置的俯視圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的一個感應(yīng)淬火裝置的俯視圖。
圖3是圖1的感應(yīng)淬火裝置的正視圖。
圖3A是圖2A的感應(yīng)淬火裝置的正視圖。
圖4是圖1的感應(yīng)淬火裝置的右側(cè)視圖。
圖5是將要被圖1的感應(yīng)淬火裝置感應(yīng)淬火的曲軸的放大側(cè)視圖，包括線圈驅(qū)動系統(tǒng)部分。
圖6是在第一工位處的感應(yīng)線圈的放大俯視圖，包括圖1的感應(yīng)淬火裝置的一部分。
圖6A是圖6的感應(yīng)線圈組件的正視圖。
圖7是曲軸旋轉(zhuǎn)一圈時的曲軸曲柄銷定向的示意圖。
圖7A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的曲軸旋轉(zhuǎn)一圈時的曲軸平衡重定向的示意圖。
圖7B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的曲軸旋轉(zhuǎn)一圈時的曲軸平衡重和感應(yīng)線圈組件定向的示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例的一個用于曲軸的軸承面的感應(yīng)淬火裝置的側(cè)視圖。
圖9是圖8的感應(yīng)淬火裝置的俯視圖。
圖10是圖8的感應(yīng)淬火裝置的正視圖。
圖11是圖8的感應(yīng)淬火裝置的右側(cè)視圖。
圖12是將要被圖8的感應(yīng)淬火裝置感應(yīng)淬火的曲軸的放大側(cè)視圖。
圖13是將要被圖8的感應(yīng)淬火裝置感應(yīng)淬火的曲軸的放大側(cè)視圖。
圖14A是用于布置本發(fā)明的工位的一個選擇的示意圖。
圖14B是用于布置本發(fā)明的工位的另一個選擇的示意圖。
圖14C是用于布置本發(fā)明的工位的另一個選擇的示意圖。
圖14D是用于布置本發(fā)明的工位的另一個選擇的示意圖。
圖14E是用于布置本發(fā)明的工位的另一個選擇的示意圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的感應(yīng)淬火裝置的示意俯視圖。
圖16是圖15的感應(yīng)淬火裝置的示意正視圖。
圖17是圖15的感應(yīng)淬火裝置的示意側(cè)視圖。
圖18是適于本發(fā)明使用的一個90度感應(yīng)淬火線圈的俯視圖。
圖18A是圖18的感應(yīng)淬火線圈的側(cè)視圖。
圖19是圖18的感應(yīng)淬火線圈的正視圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個偏轉(zhuǎn)180度感應(yīng)淬火線圈的示意俯視圖。
圖21是圖20的線圈的示意側(cè)視圖。
圖22是圖20的線圈的示意正視圖。
圖23是基于使用的線圈的式樣在工件中的最終加熱圖形的局部示意圖。
圖24是基于使用的線圈的式樣在工件中的最終加熱圖形的局部示意圖。
圖25是基于使用的線圈的式樣在工件中的最終加熱圖形的局部示意圖。
圖26是具有一個“開口銷”設(shè)計的車輛曲軸的兩個相鄰的銷的局部示意正視圖。
圖27是圖26的兩個相鄰的銷的之間的偏移區(qū)域的示意圖。
圖28是使用兩個圖20的線圈的包括變壓器的兩個感應(yīng)淬火裝置的側(cè)視圖。
圖29是使用兩個圖20的線圈的包括變壓器的兩個感應(yīng)淬火裝置的側(cè)視圖。
圖30是包括一個相配的變壓器的用于工件的兩個感應(yīng)淬火裝置的側(cè)視圖，每一個裝置都可使用圖18的線圈和使用圖20的線圈。
為了進一步理解本發(fā)明的原理，將參考附圖和具體的語言來描述本發(fā)明的最佳實施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，這并不限定本發(fā)明的范圍，同領(lǐng)域技術(shù)人員進行的與本發(fā)明相關(guān)的這些變型和修改以及本發(fā)明的原理的進一步應(yīng)用都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
參考圖1、2、3、4、5、6和6A，說明用于感應(yīng)加熱和淬硬曲軸21的感應(yīng)淬火裝置20的結(jié)構(gòu)和布置。曲軸21定位在豎直方向并支撐在頂尖22和23之間。說明的上部頂尖22應(yīng)被認為僅僅是示意性的，目的在于表示一個用于曲軸的真正的豎直定向。在實踐中，當(dāng)曲軸的銷被感應(yīng)淬火時，需要使用一個正向鎖(卡盤)。圖5中示出了這一點。這種曲軸的固定允許使用一個相配合的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，以便繞軸在正向鎖(卡盤)和下部頂尖23之間可轉(zhuǎn)動地旋轉(zhuǎn)曲軸。盡管圖1和圖5中的曲軸1顯示為在豎直頂尖之間的豎直安裝方向，但本發(fā)明也適于在水平頂尖之間的水平方向上定位。
繼續(xù)參考圖5，顯示了曲軸的細部。用于說明本發(fā)明的曲軸包括四個汽缸(曲柄)銷27a-27d和五個圓柱形軸承面28a-28e。如曲軸領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的，與每個銷相配合設(shè)置平衡重，以便平衡銷轉(zhuǎn)動，并且最好消除任何的凈離心力。銷27a-27d和軸承面28a-28e交替設(shè)置并代表了需要硬化的關(guān)鍵磨損表面，最好的方法是通過感應(yīng)加熱來淬硬這些曲軸的關(guān)鍵部位。這是裝置20的任務(wù)，該裝置20可被構(gòu)造和安設(shè)為使感應(yīng)線圈組件順序地靠近每個銷27a-27d，并進行要求的熱處理步驟。在另一個工位上對軸承面28a-28d進行感應(yīng)加熱和淬硬，在一個實施例中該工位包括裝置20的另一部分。在本發(fā)明的一個實施例中(見圖6A)，水淬火能力被組合進用于銷和軸承面的感應(yīng)線圈組件中，在另一個實施例中，淬火步驟由一個獨立的不包括線圈組件的淬火臺進行。
根據(jù)本發(fā)明，實際上對裝置20有三個主要的形式，對每個主要的形式有一個次要的變化。在圖1-4中的說明中，裝置20包括兩個實際上同樣的工位，這兩個工位都設(shè)計成用于感應(yīng)淬火銷。這種形式允許兩個曲柄銷被同時并排感應(yīng)淬火。第二裝置30(見圖8-11)用于曲軸的軸承面的感應(yīng)淬火。該用于軸承面的裝置30可在使用裝置20之前使用或在使用裝置20之后使用。在銷和軸承面之間的感應(yīng)淬火的順序并不關(guān)鍵。但是，如果軸承面被同時感應(yīng)淬火，也許需要一個后研磨操作，以便消除任何微小的變形，使得曲軸回復(fù)到公差之內(nèi)。裝置30被構(gòu)造和安設(shè)成具有兩個實際上同樣的工位，象裝置20一樣，由此可并排同時處理兩個曲軸。
本發(fā)明的第二個主要的形式包括一個用于裝置20的設(shè)計，裝置20僅僅包括一個(1)工位，該工位用于感應(yīng)淬火銷。以類似的方式，裝置30被構(gòu)造和安設(shè)成僅具有一個用于感應(yīng)淬火軸承面的工位?？梢砸匀魏蔚捻樞蚴褂眠@兩個工位的裝置，使用時的時間不必接近。另外，作為這第二個主要形式的一個微小變化，可以設(shè)想，一個裝置可安設(shè)有多個工位，而另一個裝置僅安設(shè)一個工位。
本發(fā)明的第三個主要的形式包括一個用于裝置20的設(shè)計，其中裝置20包括兩個工位，但其中一個工位用于曲軸的銷，另一個工位用于曲軸的軸承面。這種并排布置的兩個工位(其中每一個工位專用于曲軸的不同部分)對運轉(zhuǎn)受到限制的小車間很有好處。
對本發(fā)明有幾個裝置和工位的組合，已經(jīng)指出了一些組合，在圖14A-14E示出了另外的組合。作為前面的描述的一個部分簡要說明，圖14A示出了兩個裝置20和30，每個裝置分別具有兩個工位33和36與46和47。工位33和36被構(gòu)造和安設(shè)成用于感應(yīng)淬火曲軸的銷，工位46和47被構(gòu)造和安設(shè)成用于感應(yīng)淬火曲軸的軸承面。圖14B示出了使用兩個實際上同樣的裝置200和300的情況。每個裝置包括一個銷工位33，36和一個軸承面工位46，47。在圖14C中，使用了一個單獨的裝置200，因此，應(yīng)當(dāng)理解，可以改變裝置的數(shù)目，也可以改變在每個裝置中的工位的數(shù)目，并且可以改變在每個裝置中的特定形式的工位。
圖15D示出了兩個單獨的裝置201和301，每個裝置包括兩個工位，一個工位33用于銷，另一個工位46用于軸承面。在圖15E中示出了裝置120和130，在該裝置中，工位133和136被構(gòu)造和安設(shè)成用于同時感應(yīng)淬火兩個(或更多個)曲軸的銷，在圖2A和3A中詳細示出了裝置120，但此處指出是為了說明本發(fā)明的另一變型。也可以理解，工位46和47可被構(gòu)造和安設(shè)成用于同時感應(yīng)淬火多個曲軸的軸承面，通常是一次兩個或一次三個，見圖12和13。另外，也可以理解，多個銷工位133、136可被圖14A-14D中的任何一個工位33和／或36分別替代。
在圖15、16和17中示出了本發(fā)明的特征的另一個組合，其中一個單獨的工位被構(gòu)造和安設(shè)成用于感應(yīng)淬火曲軸的銷和軸承面。一個單獨的線圈組件用于銷，并且兩組線圈組件用于軸承面，類似于圖12和13中所揭示的。事實上，有一個單獨的豎直定位系統(tǒng)和一個單獨的通用于所有的由X軸和Y軸定位機構(gòu)定位的三套或三組線圈組件的主軸。
盡管本發(fā)明的一個實施例主要涉及感應(yīng)線圈組件和使線圈組件精確跟蹤曲軸工件的每個銷的軌道的驅(qū)動系統(tǒng)，但有其它重要的裝置20的設(shè)計特征，包括相關(guān)的設(shè)備、曲軸工件的定位、工位的設(shè)計和整個裝置的自動特性。本發(fā)明的另外的實施例提供了關(guān)于在一個單獨的循環(huán)(即旋轉(zhuǎn)一圈)期間曲軸的旋轉(zhuǎn)速度和線圈組件的運行速度的變型、關(guān)于電源輸出的變型、以及線圈組件的運行路徑的形狀。理解本發(fā)明的第一實施例最重要的是，由于曲軸在下部頂尖上在豎直方向上轉(zhuǎn)動，每個銷和每個軸承產(chǎn)生一個特定的運行軌道或路徑。當(dāng)線圈組件靠近一個用于感應(yīng)加熱和淬硬的特定的銷定位時，該線圈組件在X／Y方向上移動，以便跟蹤或追蹤同樣的軌道，且不與曲軸的任何部分接觸。另外，根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)實施例，在每個循環(huán)期間，曲軸的旋轉(zhuǎn)速度和跟蹤線圈組件的運行速度將改變、加速和／或減速，以便調(diào)節(jié)或調(diào)整平衡重引起的熱損失。在本發(fā)明的另一個實施例中，線圈組件的軌道或跟蹤路徑被設(shè)計成可改變線圈組件的線圈部分和曲柄銷之間的間距，以便調(diào)整由于平衡重的存在而引起的熱損失，并且由此達到均勻的表面硬化深度。對平衡重?zé)釗p失的調(diào)整也可以通過快速的改變電源的功率輸出而實現(xiàn)。參照由平衡重引起的熱損失，不管影響鄰近曲軸的銷的質(zhì)量平衡(熱平衡)的原因是結(jié)構(gòu)性的或任何其它的原因，都可進行由另外的實施例表示的相應(yīng)的調(diào)整。
此外，如果與曲軸的旋轉(zhuǎn)長軸同軸的軸承面包括某些類型的吸熱或熱變化，那么，可進行調(diào)整來補償選擇為感應(yīng)淬火表面的任何熱損失。如果相應(yīng)的感應(yīng)線圈保持靜止，可根據(jù)吸熱或熱損失元件或結(jié)構(gòu)的位置來進行對軸承面的熱損失的調(diào)整，調(diào)整形式可包括通過加速或減速進行的深度調(diào)整和通過改變線圈組件的輸出功率的電源調(diào)整。在圖7中示出了對銷的這兩種調(diào)整的描述。當(dāng)涉及軸承面而不是銷時，線圈組件63定位在相應(yīng)的軸承面比如軸承面28a的周圍。應(yīng)當(dāng)注意，線圈組件48是用于銷的，而線圈組件63是用于軸承面的。使線圈組件63如此定位，對軸承面進行速度調(diào)整和電源調(diào)整，以同樣的方式對銷進行這些調(diào)整。
如果允許線圈組件63在Y軸方向(僅在此方向)上移動，那么，對銷所選擇的線圈組件定位調(diào)整(見圖7B)可用于軸承面。在此，線圈組件63被定位在比如軸承面28a的軸承面周圍，使得線圈組件(在Y方向上)移進移出，以便改變線圈部分的內(nèi)表面和軸承面之間的間距。內(nèi)表面靠軸承面越近，在軸承面中產(chǎn)生的熱量越多。
繼續(xù)參考第一實施例，通過把尺寸和位置數(shù)據(jù)精確地輸入一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)，本發(fā)明在一個方向上移動感應(yīng)線圈組件，以使線圈組件的內(nèi)表面和特定的銷的外表面之間的間距基本上保持均勻。由于軸承面與豎直頂尖同軸，每個軸承面的“軌道”在軸上，所有的軸承面軌道是同樣的。因此，本發(fā)明的感應(yīng)線圈組件和線圈定位系統(tǒng)如所述的是“無接觸的”，這是因為它們不與將要感應(yīng)淬火的曲軸的表面接觸。
參考圖1，2，3和4，圖2是裝置20的整個俯視圖。為清楚起見，其余的每一幅圖具有去除的某部分。在圖1中，為清楚起見，去除了控制、支架和驅(qū)動主軸部分。在圖3中，為清楚起見，去除了曲軸、系統(tǒng)元件和機械手，而在圖4中，去除了人／機接口(HMI)。因此，這四幅圖應(yīng)當(dāng)作為互相補充的一套東西放在一起來考慮。
根據(jù)這些附圖的說明，感應(yīng)淬火裝置20包括一個位于外殼34中的第一工位33，其具有前側(cè)入口門35；以及一個類似結(jié)構(gòu)的第二工位36。所示的這兩個工位除示出支臂、頂尖、驅(qū)動器和軸承之外還示出了關(guān)閉的門35。因此，圖3應(yīng)當(dāng)被認為是關(guān)于關(guān)閉的門35后面的東西的示意圖。在第一工位，第一曲軸的銷27a-27d被感應(yīng)加熱和淬硬。在使用一個單獨的線圈的實施例中，銷被順序感應(yīng)加熱。在一個相關(guān)的實施例中，見圖2A和3A，兩個銷能夠被同時感應(yīng)淬火。這要求使用兩個線圈，并且需要設(shè)計成銷27a和27c被一起感應(yīng)淬火，然后銷27b和27d被一起(即同時)感應(yīng)淬火。
在第二工位36，第二曲軸的銷被感應(yīng)加熱和淬硬。實際上，兩個工位33和36具有事實上相同的結(jié)構(gòu)，并且被同時使用來感應(yīng)淬火兩個單獨的曲軸。為了圖面清晰，在圖3中未示出兩個工位處的曲軸。通過機械手37裝卸在兩個工位33處被感應(yīng)淬火的兩個曲軸。如果第二裝置30用于感應(yīng)淬火兩個曲軸的軸承面，那么，也通過諸如機械手37之類的機械手機構(gòu)來把曲軸移動到軸承面裝置30。在該第二裝置的位置處，軸承面28a-28e被感應(yīng)加熱和淬硬。當(dāng)完成時，機械手37把曲軸去除，并把下一個曲軸裝在第一裝置的位置處。
繼續(xù)參考圖2和圖3，將詳細描述在工位33上的曲軸21的處理。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)感應(yīng)淬火第二曲軸的銷時，工位36的結(jié)構(gòu)事實上是相同的。由機械手把曲軸21移動到裝置20的工位33處的位置并保持在需要的豎直方向上，直到第一工位33處的支臂40和41(第二工位36處的支臂42和43)取代豎直定位并支撐曲軸21。根據(jù)可編程邏輯控制電路將每個支臂40-43自動移動定位，該可編程邏輯控制電路用于對與各個支臂相關(guān)的機械驅(qū)動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進行編程。每個下支臂41和43上分別裝配有一個定中心主軸尖端41a和43a，用于插入裝在相應(yīng)的工位處的曲軸端部的中心承窩內(nèi)。每個上支臂40和42上分別裝配有一個軸承箱40a和42a，以及一個相配合的卡盤40b和42b，用于鎖定曲軸的上端。此種方式的曲軸的固定保持真正的豎直位置，并且在曲軸的長度中心線上提供一個真正的用于轉(zhuǎn)動曲軸的豎直軸，該長度中心線與每個圓柱形軸承面28a-28e的幾何中心線同心。
無論曲軸的尺寸和長度如何，在感應(yīng)加熱和淬硬的步驟中每個上支臂40和42的軸向位置與每個曲軸相同，下支臂41和43是可移動的，并且能以不同的“運行”位置軸向位移，以便容納不同的曲軸長度。安裝在上支臂40端部的是電流主軸電機44，用于以預(yù)定的速度可旋轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)動曲軸。一個類似的電流主軸電機45安裝在上支臂42的端部，用于第二工位處的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。不管哪部分是感應(yīng)淬火的焦點，曲軸的旋轉(zhuǎn)對工件的均勻和平衡的加熱圖形是有益的。曲軸的旋轉(zhuǎn)也有益于均勻的淬火。由于作為本發(fā)明的一部分的每個裝置的每個工位中使用的感應(yīng)線圈組件均勻一個開放的半圓柱形形狀，為了完全均勻地加熱曲軸的關(guān)鍵部分，每個曲軸被轉(zhuǎn)動是必要的。在第一裝置20處，包括兩個工位33和36，這些關(guān)鍵部分是銷27a-27d。在第二裝置30處，包括兩個工位46和47，這些關(guān)鍵部分是軸承面28a-28e。
隨后進行的關(guān)于第一工位33的描述事實上與第二工位36是相同的。上支臂40與一個夾緊圓柱33a(工位36處為圓柱36a)相連，該夾緊圓柱用于夾緊卡盤40b和定中心主軸尖端41a之間的相應(yīng)的曲軸。被卡住和定中心的曲軸的豎直運動涉及提供Z軸驅(qū)動器的豎直定位部分33b(工位36中為36b)。該Z軸驅(qū)動器是一個滾珠絲杠伺服驅(qū)動器，用于在想要移動曲軸時移動曲軸的豎直位置，以便將不同的銷靠近相應(yīng)的感應(yīng)線圈組件定位。
在本發(fā)明的一個實施例中，一個單獨的感應(yīng)線圈組件48位于第一工位33處，并分別固定安裝在一個Y軸驅(qū)動系統(tǒng)49上，該Y軸驅(qū)動系統(tǒng)由合適的伺服電路基于從曲軸圖導(dǎo)出的部件幾何形狀和尺寸或其它部件規(guī)格進行控制。系統(tǒng)49可被構(gòu)造和安設(shè)成可在箭頭50的方向上移進移出感應(yīng)線圈組件48。線圈組件48也固定安裝在X軸驅(qū)動系統(tǒng)51上，該系統(tǒng)51由伺服驅(qū)動電路控制并以與Y軸驅(qū)動系統(tǒng)49中利用的類似的方式進行編程。系統(tǒng)51被構(gòu)造和安設(shè)成可在箭頭52的方向上并排移動感應(yīng)線圈組件48。
X和Y軸驅(qū)動系統(tǒng)51和49中的每一個包括實際定位感應(yīng)線圈組件48的伺服滾珠絲杠表。這兩個表彼此以可以理解的及X和Y軸驅(qū)動所期望的九十(90)度或直角的關(guān)系相機械連接。
如所描述的，曲軸21事實上安裝在頂尖22和23上并可轉(zhuǎn)動。在實踐中，上部頂尖22采用卡盤40b的形式。伺服電機(電流主軸電機)44用于驅(qū)動曲軸并把旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和銷位置數(shù)據(jù)提供給一個計算機控制器，該控制器有效地與X和Y軸驅(qū)動系統(tǒng)51和49相連。關(guān)于相應(yīng)的將被感應(yīng)加熱和淬硬的銷27a的位置的位置數(shù)據(jù)被輸入計算機控制器，該控制器利用一個數(shù)據(jù)庫程序來移動在一跟蹤軌道中的感應(yīng)線圈組件，該跟蹤軌道追隨特定的銷的特定軌道。該計算機控制程序控制X和Y軸驅(qū)動系統(tǒng)，具體地說是控制定位線圈組件的相應(yīng)的伺服滾珠絲杠表。
每個銷具有特定的相對于曲軸21的長軸的圓周位置。這些銷位置與發(fā)動機的汽缸的點火順序相重合。盡管每個銷的軌道是圓形的且每個軌道具有相同的尺寸，但在圓形軌道中的一個特定的銷的實際瞬時位置隨著所考慮的銷和相應(yīng)的汽缸不同而不同。因此，當(dāng)伺服電機44提供關(guān)于曲軸的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的位置數(shù)據(jù)時，假設(shè)銷的尺寸和角度可從曲軸部件技術(shù)規(guī)格和／或曲軸藍圖或CAD圖中得知，對于每個曲軸的銷27a-27d可以計算一個精確的和相應(yīng)的銷位置。用這個數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生感應(yīng)線圈組件48相對于每個銷的跟蹤軌道路徑。
在本發(fā)明的第一實施例中，用于感應(yīng)線圈組件的驅(qū)動系統(tǒng)被編程以在精確地追蹤或拷貝將要感應(yīng)淬火的銷的軌道路徑的軌道或軌跡中移動線圈組件。這種精確的線圈組件的跟蹤可使線圈部分的半圓柱形內(nèi)表面相對于銷的外徑表面間隔固定的間距。
根據(jù)本發(fā)明，線圈組件48的感應(yīng)線圈部分具有部分圓的半圓柱形形狀(見圖6)。內(nèi)表面57的形狀是圓柱形，符合每個曲軸的形狀。通過生產(chǎn)一側(cè)開口的線圈組件48，該線圈可以安裝在每個曲軸的銷的一部分周圍。由于特定的銷隨著曲軸轉(zhuǎn)動，它的整個圓周面最終直接靠近內(nèi)表面57放置。圖7中示出了這種定位關(guān)系。在圓柱形銷58的表面上已經(jīng)確定了間隔九十((90)度的四個點A、B、C和D，以便可以顯示這些點怎樣分別相對于由箭頭52和50表示的用于感應(yīng)線圈組件48的X和Y方向位移。當(dāng)?shù)诙の槐挥糜诟袘?yīng)淬火銷時，對裝置20的第二工位36的描述與對裝置20的第一工位33的描述相同。
在使用平衡重并連接到銷的情況下，當(dāng)線圈組件面對最靠近平衡重的銷的部分時，有一個從銷上吸熱的吸熱現(xiàn)象。可以理解，對此處描述的類型的感應(yīng)淬火裝置，銷或軸承面的加熱部分是集中的，并且是最靠近線圈部分的半圓柱形內(nèi)表面的部分。因此，當(dāng)線圈部分與平衡重相對置時，沒有需要進行一些形式的調(diào)整的顯著的吸熱損失。
在本發(fā)明的相關(guān)的實施例中，補償熱損失的調(diào)整形式有三種不同的形式。在本發(fā)明的一個實施例(見圖7)中，在每一轉(zhuǎn)中的曲軸的旋轉(zhuǎn)是變化的(加速和／或減速)，這樣，當(dāng)線圈部分靠近銷的吸熱部分(即平衡重58a)時，旋轉(zhuǎn)速度有一個很短的延緩。這種延緩產(chǎn)生更多的熱，補償由于平衡重的質(zhì)量把熱從該區(qū)域中導(dǎo)出而失去的熱。
在圖7A中，平衡重58a相對于線圈組件48的位置在一個循環(huán)中處于四個不同的位置(Z0-Z3)，該一個循環(huán)相應(yīng)于曲軸旋轉(zhuǎn)的一圈。如上所述，曲軸的旋轉(zhuǎn)速度(SR)隨著平衡重相對于線圈組件的線圈部分的位置(ZN)的變化而變化。圖中示出線圈組件48是一個半圓柱形線圈部分。在Z1位置，當(dāng)線圈部分實際上集中在平衡重58a上時，旋轉(zhuǎn)速度(SR1)將是整個循環(huán)的最小值。這使得線圈部分靠近銷的這一部分保持更長的時間間隔，以便更多的熱輸入到銷上。當(dāng)線圈部分和平衡重58a在銷58的相對兩側(cè)時，在Z3位置，旋轉(zhuǎn)速度(SR3)是整個循環(huán)(即曲軸旋轉(zhuǎn)一圈)的最大值。這意味著加熱時間間隔將更短，由于平衡重58a不從銷上帶走任何大量的熱量，所以這是合適的。在這兩種速度極限之間，旋轉(zhuǎn)速度加速和減速。從Z1到Z3的加速線與從Z3到Z1的減速線重合。
在本發(fā)明的另一個實施例中(見圖7B)，線圈組件相對于銷表面的間距在每一個循環(huán)(即曲軸旋轉(zhuǎn)的每一圈)期間是改變或變化的。當(dāng)線圈組件在銷的平衡重的一側(cè)時，其比當(dāng)平衡重與線圈在銷的相對兩側(cè)時更靠近銷。通過把線圈部分放置的更近，在更近的距離處，進入銷中的由線圈組件產(chǎn)生的熱量更大。這種方法要求用于線圈組件的X和Y驅(qū)動系統(tǒng)受到控制，以便掃過一個橢圓的路徑而不是圓路徑。
在圖7B中，平衡重58a相對于線圈組件48的位置在一個循環(huán)中處于四個不同的位置(Z0-Z3)。圖7B的位置通常相應(yīng)于圖7A的位置。在Z1位置，線圈部分最靠近銷，產(chǎn)生最多的熱量，以補償由于吸熱的平衡重而失去的熱量。在與Z1位置成180度的Z3位置，線圈部分的位置離銷最遠。這是平衡重對由于其吸熱而引起的熱量減少影響最小的位置。
當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動且銷58從位置Z1到Z3通過位置Z2移動時，線圈部分的內(nèi)表面57與銷的外徑表面之間的間距增加。然后，當(dāng)從Z3到Z1通過Z0位置返回時，間距減小。
如果在線圈部分上標記一個點(X)，在一個循環(huán)中追蹤其路徑，可以看到，該跟蹤路徑為橢圓而不是圓。
在本發(fā)明的另一個實施例中，線圈組件的線圈部分的路徑是圓形，旋轉(zhuǎn)速度恒定，并且間距保持恒定。但是，用于線圈組件的電源的輸出功率(kW)隨著曲軸的位置且相應(yīng)的隨著線圈部分相對于銷的方向及平衡重的位置定位的情況而變化。圖7A圖示了當(dāng)輸出功率變化時銷和平衡重的轉(zhuǎn)動。在Z1位置，由于平衡重的位置而引起輸出功率最大。在Z3位置，由于平衡重的位置而引起的輸出功率最小。輸出功率從Z1到Z3減小，然后從Z3到Z1增加。只要線圈靠近銷的平衡重側(cè)，輸出功率增加，以便產(chǎn)生更多的熱量，由此補償通過平衡重失去的熱量。
理解這一點很重要，即用與裝置20相連的同樣基本的的機械和電子結(jié)構(gòu)可以完全實現(xiàn)通過這些實施例進行的各種調(diào)整。通過改變主軸電機的速度編程及X和Y驅(qū)動系統(tǒng)的跟蹤速度，或者通過改變X和Y行程以改變間距，或者通過改變電源的輸出功率可實現(xiàn)所有的調(diào)整。
本發(fā)明的一個重要的特征是感應(yīng)線圈組件不與將被感應(yīng)加熱和淬硬的曲軸曲柄銷有任何直接的物理接觸。感應(yīng)線圈組件也不與任何其它的沿軌道運行的部件有任何直接的物理接觸。同樣，在第二裝置中，感應(yīng)線圈組件不與將被感應(yīng)加熱和淬硬的曲軸軸承面有任何直接的物理接觸。這種不接觸包括不與安裝在相應(yīng)的銷和軸承面的表面上的任何傳感器或位置指示器接觸。以此方式，線圈組件不受到將顯著降低或縮短線圈使用壽命的磨損。通過設(shè)計一個在線圈組件的線圈部分和將要被感應(yīng)淬火的表面或部分之間不接觸的裝置，事實上消除了線圈部分的磨損，顯著提高了線圈部分的使用壽命。同樣，由于感應(yīng)線圈組件的所有其它部分不與將要被感應(yīng)淬火的曲軸部分有任何接觸，對這些部分沒有磨損，不會縮短使用壽命。本發(fā)明成功的一些關(guān)鍵包括根據(jù)銷軌道和線圈組件的線圈部分的開口的半圓柱形設(shè)計對線圈的X和Y運動的精確編程。盡管曲軸豎直定向最好，但本發(fā)明不限于豎直的曲軸。本發(fā)明同樣適用于水平支撐在頂尖之間的曲軸。
已經(jīng)描述的第一工位33相對于線圈組件運行，并且曲軸曲柄銷的感應(yīng)淬火具有一個事實上被第二工位模仿的設(shè)計。第二工位36包括一個事實上同樣的X驅(qū)動系統(tǒng)61、一個事實上同樣的Y驅(qū)動系統(tǒng)62、彼此設(shè)定為九十(90)度的相配合的伺服滾珠絲杠表、以及一個具有一個開口的半圓柱形形狀的事實上與線圈組件48相同的感應(yīng)線圈組件63。伺服電機45的功能事實上與電機44相同，并且控制相應(yīng)的曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。如上所述，裝置20的兩個工位33和36被構(gòu)造和安設(shè)為事實上相同，使得可同時處理兩個曲軸，從而使生產(chǎn)率加倍。當(dāng)兩個工位33和36被設(shè)計成用于曲軸曲柄銷的感應(yīng)淬火時，它們的結(jié)構(gòu)事實上相同，使得可同時處理兩個曲軸。
第一裝置20和第二裝置30的主要不同之處是在每個裝置所處位置處被感應(yīng)淬火的部分的不同。在第一裝置20，曲軸曲柄銷被感應(yīng)淬火，而在第二裝置(見圖8-11)，軸承面被感應(yīng)淬火。由于圓柱形軸承面彼此同軸，具有相同的圓柱形尺寸，并且以曲軸的長軸為中心，在第二裝置30中，軸承面相對于感應(yīng)線圈組件64a-64e的運動的控制不太復(fù)雜。前述比較是在這兩個裝置包括一個、兩個或某些其它數(shù)目的事實上相同的工位的基礎(chǔ)上進行的。
至于包括一部分曲軸65的軸承面28a-28e，如圖所示，這些表面具有基本上相同的外徑和圓柱形形狀。重要的是，這些圓柱形表面與曲軸的長軸同心，并因此與在兩支撐頂尖之間延伸的長軸同心。如圖所示，上部頂尖最好用一個正向鎖(卡盤)代替。結(jié)果，因為實際上軸承面不具有它們自己的唯一的軌道，一旦每個線圈組件最初設(shè)定在其相對于軸承面的想要的靠近位置上，在第二裝置30的工位處利用的感應(yīng)線圈組件64a-64e在曲軸旋轉(zhuǎn)一圈期間具有固定的位置。仍然需要某種類型的X和Y定位系統(tǒng)以最初使每個線圈組件靠近相應(yīng)的軸承面定位。而且一旦正確定位，用于相應(yīng)的軸承面的感應(yīng)線圈組件不必在特定的或相應(yīng)的軌道路徑中被移動或追蹤。這明顯不同于銷，這是由于銷的軸位置相對于曲軸中心線偏移。
某種程度上，如果一個以上的軸承面被同時感應(yīng)加熱，曲軸65可接收產(chǎn)生的熱量，可以在裝置30的工位中使用多個線圈組件64a-64e。如圖8-11中所示，裝置30的結(jié)構(gòu)包括一系列五個感應(yīng)線圈組件64a、64b、64c、64d和64e。將要裝在豎直頂尖66a和66b之間的位置中的曲軸65包括五個軸承面，并且裝置30的運轉(zhuǎn)在一個運轉(zhuǎn)循環(huán)中加熱五個軸承面中的三個，并在一個單獨的運轉(zhuǎn)循環(huán)中加熱其余的兩個軸承面(見圖12和圖13)。如上所述，上部頂尖66a最好是一個卡盤40b形式的正向鎖(卡盤)。每個感應(yīng)加熱步驟緊接一個淬火步驟。與前面的描述相一致，淬火液體是通過本發(fā)明的一個實施例的感應(yīng)線圈引入的。在另一個實施例中，淬火液體是通過一個單獨的未利用感應(yīng)線圈組件作為引入裝置的淬火機構(gòu)引入的。
在圖8中示出了五個線圈組件64a-64e，每個線圈組件相對于它們的相應(yīng)的曲軸65的軸承面定位。如果所有的五個軸承面被同時感應(yīng)淬火，將使用這種布置。但是，由于這將產(chǎn)生太多的熱量，圖12和圖13說明了首先怎樣使用三個線圈組件，然后怎樣使用兩個線圈組件。順序可以顛倒，但要點是同時加熱幾個軸承面，產(chǎn)生較少的熱量和較小的變形。不管兩個軸承面被在其它三個軸承面之前或之后感應(yīng)加熱和淬硬，與一次處理一個軸承面相比較，多個軸承面的同時處理導(dǎo)致更快地完成循環(huán)。包括在裝置30中的部件是一個感應(yīng)電源30a、一個Y軸驅(qū)動系統(tǒng)30b、一個滑軌30c、一個變壓器組件30d、母線30e和母線延伸部分30f。除了母線延伸部分和代替裝置20的X軸驅(qū)動系統(tǒng)51的滑軌外，裝置30實際上與裝置20相同。
現(xiàn)在參考圖15、16和17，說明了本發(fā)明的另一個實施例。裝置220包括三個水平定位系統(tǒng)221、222、和223，每個定位系統(tǒng)與一個相應(yīng)的用于銷的線圈組件或多個用于軸承面的線圈組件相連。每個定位系統(tǒng)包括彼此成90度角固定的X軸和Y軸定位系統(tǒng)。對軸承面(系統(tǒng)221和222)，X軸定位系統(tǒng)是一個手動滑動裝置。還示出了一個單獨的靠近每個水平定位系統(tǒng)的加熱平臺變壓器224、225和226。即使未示出，裝置220包括所有的標準系統(tǒng)元件。這些標準系統(tǒng)元件在其它的圖中示出，為清楚起見，并且由于圖15-17的實施例的焦點在于組合成一個唯一的用于銷和軸承面的工位感應(yīng)加熱子系統(tǒng)的方式，此處未示出這些標準系統(tǒng)元件。裝置220還包括一個用于沿Z軸豎直運行的共用支持系統(tǒng)227、一個上部卡盤228和一個下部豎直支撐頂尖229。
在圖15所示的實施例中，事實上，如果使用所有的三個水平定位系統(tǒng)221、222和223，需要把共用支持系統(tǒng)227(或設(shè)想的一個水平定位系統(tǒng))從其圖示位置裝上鉸鏈以便把工件(即曲軸)裝入位。另一部分是從頂部(即頭部)裝入工件。另一部分僅用于三個水平定位系統(tǒng)中的兩個，并且，作為一個圖示該選擇的方式，在圖15中用虛線框出了系統(tǒng)222。
盡管為了圖面清晰可見，在一些圖中去掉了一些元件和零件，但通過下面的分析可獲得裝置220的完整的理解。通過注意到定位系統(tǒng)221和變壓器224基本上與圖12中所示的控制三個線圈組件的相同，該三個線圈組件用于同時感應(yīng)淬火三個軸承面，這樣可理解裝置220的結(jié)構(gòu)。定位系統(tǒng)222和變壓器225基本上與圖13中所示的控制兩個線圈組件的相同，該兩個線圈組件用于同時感應(yīng)淬火兩個軸承面。定位系統(tǒng)223和變壓器226基本上與圖5中所示的控制一個線圈組件的相同，這個線圈組件用于順序感應(yīng)淬火曲軸230的銷。該線圈組件包括用于系統(tǒng)221的組件221a、221b和221c，用于系統(tǒng)222的組件222a、222b，用于系統(tǒng)223的組件223a。
在圖16中，未示出軸承面線圈221a、221b、221c、222a和222b，也未示出定位系統(tǒng)223。在圖17中，示出了定位系統(tǒng)223，但為清楚起見，省略了兩個軸承面定位系統(tǒng)221和222。支臂231和232的結(jié)構(gòu)與支臂40-43相同，如與圖15-17所示的相一致。在所有的方面，裝置220的操作與裝置20和30的相應(yīng)的部分相同。不同之處在于包括使用了一個用于曲軸的唯一的豎直定位系統(tǒng)，其與水平(滑動)定位系統(tǒng)組合在一起，該水平(滑動)定位系統(tǒng)在同樣的唯一工位上用來定位用于銷和軸承面的線圈。
對裝置20和具有多個感應(yīng)線圈組件的工位33和36的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還有一個選擇，每一個具有其本身的伺服系統(tǒng)、其本身的X和Y驅(qū)動系統(tǒng)和控制電路。這允許同時處理一個曲軸的多個銷。如果兩個工位被構(gòu)造并利用為裝置20的部件，那么每個工位可被構(gòu)造為具有多個用于曲軸曲柄銷的感應(yīng)線圈組件。
現(xiàn)在參考圖2A和圖3A，示出的裝置120具有工位133和136。盡管增加了第二線圈組件和相配合的驅(qū)動系統(tǒng)，但應(yīng)考慮到裝置120事實上與裝置20相同的事實。相應(yīng)的標號已經(jīng)被給出了數(shù)目100的前綴。因此，工位133事實上與工位33相同，工位136事實上與工位36相同。
裝置20和裝置120的一個不同之處在于，豎直定位部分133b和136b(對工位33和36為33b和36b)分別相對于兩個工位133和136之間的間距重新定位。這使得工位133的左側(cè)和工位136的右側(cè)開口，以便可分別安裝第二X和Y軸驅(qū)動系統(tǒng)151a和149a及161a和162a，如圖2A和3A所示。在工位133處的第二X-Y驅(qū)動裝置事實上與X驅(qū)動系統(tǒng)151和Y驅(qū)動系統(tǒng)149的結(jié)構(gòu)相同。同樣，在工位136處的第二X-Y驅(qū)動裝置事實上與X驅(qū)動系統(tǒng)161和Y驅(qū)動系統(tǒng)162的結(jié)構(gòu)相同。關(guān)于所示的四個X-Y驅(qū)動裝置，每一個包括一個X軸驅(qū)動系統(tǒng)、一個Y軸驅(qū)動系統(tǒng)、一個變壓器和一個變壓器外殼。為了說明這些所有的元件，對圖進行了調(diào)整，從兩個位置去除了變壓器，以便更好地示出X和Y驅(qū)動系統(tǒng)。
象位于工位133處的第一X-Y驅(qū)動裝置一樣，第二X-Y驅(qū)動裝置通過一個母線181a和快速變換裝置180a與一個感應(yīng)線圈組件148a相連。第一X-Y驅(qū)動裝置通過母線181和快速變換裝置180與線圈組件148相連。通過在每個工位處把一個第二感應(yīng)線圈組件148a提供給所有的相配合的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，兩個銷可被同時感應(yīng)淬火。為了分配熱量，銷27a和27c(第一和第三銷)在第一循環(huán)中被感應(yīng)淬火。其后，銷27b和27d(第二和第四銷)在第二循環(huán)中被感應(yīng)淬火。通過使感應(yīng)線圈組件的數(shù)目加倍，對曲軸的銷的感應(yīng)淬火循環(huán)時間可縮短一半。在循環(huán)中這可通過改變功率實現(xiàn)。如果速度被改變，那么平衡重必須被按時間安排到兩個線圈的位置上。
在圖2A和3A中示出的另外的元件和系統(tǒng)在圖1、2、3、4、5、和6中有相應(yīng)的元件和系統(tǒng)，包括人／機接口175、感應(yīng)線圈組件163和163a、門135、外殼173、變壓器172、變壓器外殼172a和外殼134。
根據(jù)具體的曲軸設(shè)計和各種循環(huán)時間，在每個工位使用多個線圈組件和使用多個工位可能對一些曲軸設(shè)計更有利。包括工位的數(shù)目的每個裝置的設(shè)計計劃和每個工位的設(shè)計計劃應(yīng)當(dāng)在理解運行的曲軸類型的基礎(chǔ)上進行，以便從裝置到裝置的曲軸的循環(huán)是足夠的且成本合理。
考慮的另一個因素是保持的公差。如果多個軸承面被同時感應(yīng)淬火，有一些稍微的變形需要后續(xù)的研磨操作。當(dāng)一次僅有一個銷被感應(yīng)淬火時，沒有變形涉及。為此，在最初對曲軸曲柄銷的感應(yīng)淬火之前，可能想要完成所有的軸承面的感應(yīng)淬火并使曲軸回復(fù)到公差范圍之內(nèi)。
繼續(xù)參考圖1、2、3、4、5和6，示出了與每個裝置相關(guān)的一些標準系統(tǒng)元件。用于第一工位33的感應(yīng)淬火裝置20包括一個300Kw／10kHz感應(yīng)電源67和一個分別提供了X和Y驅(qū)動系統(tǒng)51和49的復(fù)合精確水平滑片68。為第二工位36提供了相同的設(shè)備，包括感應(yīng)電源69和水平滑片70?；?0提供X和Y驅(qū)動系統(tǒng)61和62。每個工位33和36還包括一個加熱平臺變壓器72和變壓器2外殼72a。設(shè)置外殼34和73以圍住每個工位處的曲軸和線圈。裝置20包括與兩個工位接界的特定的元件和系統(tǒng)，包括人／機接口75、各種氣動元件和控制器76、一個主控制器外殼77、定位控制器外殼77a和一個液體系統(tǒng)78。還包括一個淬火過濾器79、用于每個線圈組件的快速變換裝置80和母線81。主控制器外殼77包括計算機和PLC控制器、邏輯電路、運行控制器、斷路器和用于裝置的輸入／輸出電路。外殼77a包括用于定位控制裝置的電路。
具體參考圖2，一個800加侖淬火水槽82與兩個15HP淬火泵83和84流動相連。泵83通過一個流路與第一工位33相連，而泵84與第二工位36相連?；芈?5和86使在每個工位使用的淬火水返回并收集在淬火水槽82中。蒸餾水槽87包含一個用于冷卻電子元件的蒸餾水供給裝置。泵88用于把蒸餾水從槽87中抽出。泵89是一個僅用于冷卻目的的循環(huán)泵。在本發(fā)明的一個實施例中，每個感應(yīng)線圈組件48和63被設(shè)計成具有一系列定位在其內(nèi)表面周圍的流動開口，用于把淬火水快速引入到曲軸的感應(yīng)加熱部分上，不管這些部分是否包括一個銷或軸承面(見圖6A)。通過設(shè)計具有一定淬火能力的線圈組件，沒必要移動感應(yīng)線圈組件和在淬火平臺處的曲軸的位置或移動一個單獨的淬火系統(tǒng)定位。在一個單獨的線圈組件中的感應(yīng)加熱和淬硬步驟是本發(fā)明的一個選擇。另外，由于優(yōu)秀的淬火系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，使用一個單獨的淬火系統(tǒng)被考慮作為本發(fā)明的一個很可行的部分。不管線圈組件設(shè)計將被簡化或需要縮短循環(huán)時間，使用一個單獨的淬火系統(tǒng)是有益的。
如上所述，在本發(fā)明的一個實施例中，通過直接流入感應(yīng)線圈組件中的機加工液流孔具有淬火能力或功能。這些液流孔與流路相連，流路與相應(yīng)的淬火泵相連，見圖2。在另一個實施例中，當(dāng)使用一個單獨的淬火機構(gòu)時，同樣的流路與淬火機構(gòu)相連。
實際的淬火步驟最好分階段進行。第一階段是，在銷和軸承面已經(jīng)被升高到需要的溫度后，曲軸仍然旋轉(zhuǎn)。當(dāng)進行輔助或補充淬火時，這發(fā)生在不同的Z軸位置，并且要求曲軸豎直位移。當(dāng)進行補充淬火時，下一個銷可相對于用于處理的感應(yīng)線圈組件定位。這種不同功能的疊加有助于減少曲軸的整個循環(huán)時間。
圖9中所示的用于裝置30的系統(tǒng)布置事實上與圖2中所示的用于裝置20的系統(tǒng)布置相同。因此，為了鑒別在裝置20和30中事實上相同的元件和／或子系統(tǒng)，使用了相同的標號。裝置20和30之間的主要不同是X和Y驅(qū)動系統(tǒng)，這是由于通過裝置20進行銷的感應(yīng)淬火，通過裝置30進行軸承面的感應(yīng)淬火。
在每個工位使用一個單獨的線圈組件，感應(yīng)加熱和淬硬步驟是連續(xù)的，一次處理一個銷或一組軸承面。一旦曲軸支撐在第一工位33的頂尖之間，線圈組件48通常以相同的速率跟蹤選擇的銷的軌道并感應(yīng)加熱銷。該加熱步驟花大約10-20秒時間。一旦曲軸的銷被加熱到需要的溫度，需要進行淬火步驟。這可以在一個實施例中完成，即通過線圈組件噴入淬火水并直接噴在已經(jīng)被加熱的銷上(見圖6A)。在本發(fā)明的另一個實施例中，脫開線圈組件，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時操作一個單獨的淬火平臺。曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時不管實施例如何進行淬火步驟。一旦完成第一個銷的感應(yīng)淬火，曲軸被豎直指向，同時線圈組件仍然保持固定，以便對曲軸的下一個銷進行定位。這個程序重復(fù)進行直到所有的曲軸的銷被感應(yīng)加熱并淬硬。用于線圈組件的驅(qū)動系統(tǒng)被編程以識別選擇了哪一個銷，并且X和Y驅(qū)動系統(tǒng)被編程以跟蹤特定的銷的預(yù)先選擇的軌道。由于描述了各種實施例，必須決定是否需要對任何平衡重進行調(diào)整，如果這樣，將進行哪一種類型的調(diào)整。一旦確定了起始位置，對每個銷，線圈組件的X和Y行程仍然是相同的。每個銷具有不同的相對于曲軸的旋轉(zhuǎn)位置的圓周位置，因此，線圈組件的起始位置隨選擇的銷的不同而不同。
在曲軸旋轉(zhuǎn)之前，在第一工位33處的感應(yīng)線圈組件48最初相對于選擇的銷定位。相應(yīng)的，用于銷軌道的線圈組件的X-Y跟蹤路徑需要具有與曲軸的速度同步的跟蹤速度。線圈組件的速度和路徑是很關(guān)鍵的，必須精確地符合曲軸的速度和銷的軌道。即使線圈組件和銷之間的間距改變，每個循環(huán)仍然有一個被跟蹤的具體的跟蹤軌道。這并不涉及軸承面，這是由于它們的軌道同軸的特性。
如上所述，在軸承面感應(yīng)淬火之前或所有的軸承面感應(yīng)淬火之后，可完成曲軸曲柄銷的感應(yīng)淬火?？稍谧鳛橐粋€裝置的一部分的兩個不同的工位處理銷和軸承面，或者由兩個單獨的裝置進行處理，一個裝置專用于處理銷，另一個裝置專用于處理軸承面。
如圖5和6中所示，一個典型的包括一個銅加熱元件(感應(yīng)器)93、一個內(nèi)部冷卻套94、一個鐵懸浮塑料材料的場聚焦部分95、隔離片96、和定位塊97。場聚焦部分用于操縱磁場。當(dāng)線圈組件中加入淬火能力時，內(nèi)表面57上形成有多個致密均勻的孔。如圖6A中所示。當(dāng)一個單獨的淬火機構(gòu)進行淬火功能時，淬火機構(gòu)位于在定位機構(gòu)(未示出)上的曲軸的端部之間，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的。
下面討論的對本發(fā)明的邏輯編程將用于曲軸的銷的感應(yīng)加熱，而不用于軸承面。這是由于銷相對于曲軸的長軸的旋轉(zhuǎn)軌道的類型，相比較，軸承面相對于曲軸的軸是同心的或同軸的。將提供的第一項數(shù)據(jù)是用于X和Y驅(qū)動系統(tǒng)的嚙合位置，從而相應(yīng)的感應(yīng)線圈組件可相對于將被感應(yīng)加熱和淬硬的相應(yīng)的銷正確定位。將編程進計算機控制器或邏輯電路中的其它的數(shù)據(jù)是從特定的曲軸技術(shù)要求中導(dǎo)出的。這些數(shù)據(jù)涉及包括銷和任何的平衡重的曲軸的尺寸、形狀和幾何特征?？赏ㄟ^鍵盤(人工輸入)的方式輸入這些要求的數(shù)據(jù)。一旦輸入基本的技術(shù)要求數(shù)據(jù)，無論曲軸的銷是否被感應(yīng)加熱和淬硬，這將不再改變，并且是相同的。應(yīng)當(dāng)注意，嚙合位置可以改變，也可以不改變，這取決于特定的曲軸是否相對于其設(shè)計尺寸和公差被制造的很好。操作者通過鍵盤輸入本發(fā)明的邏輯編程部分的其它數(shù)據(jù)和信息包括每個銷的公差、轉(zhuǎn)數(shù)、旋轉(zhuǎn)時間、加熱時間、旋轉(zhuǎn)速度和電源輸出。在加熱期間的旋轉(zhuǎn)速度RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))目前被設(shè)定為每個半球為2 RPM。在一個半球中，軸以30 RPM旋轉(zhuǎn)，在另一個半球中，以50 RPM旋轉(zhuǎn)。這可以被細分為四分之一或甚至更小的部分。應(yīng)當(dāng)理解，旋轉(zhuǎn)速度可以被分解為更小的增量，允許一個逐漸的加速和／或逐漸的減速，如此所述。也應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明必須基于想怎樣集中來自感應(yīng)線圈組件的熱量預(yù)先編程以跟隨一個圓路徑或一個橢圓路徑。根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，在此討論了這些各種各樣的路徑選擇。如所理解的，當(dāng)由感應(yīng)線圈組件跟蹤一個圓路徑時，X軸驅(qū)動系統(tǒng)服從一個余弦波形，Y軸驅(qū)動系統(tǒng)服從一個正弦波形。
關(guān)于本發(fā)明的裝置20的利用，通過機械手和／或操作者把曲軸放在下部頂尖支撐上，然后在頂部夾緊或卡進，以便開始循環(huán)，從而開始處理。如上所述，X和Y方向是水平的，這兩個驅(qū)動系統(tǒng)彼此成90度連接。簡稱為θ(r)的旋轉(zhuǎn)運動定義驅(qū)動主軸／曲軸的運動。Z軸在豎直方向，表示感應(yīng)線圈組件的定位軸和豎直方向上的曲軸。
第一步需要做的是通過曲軸移進所選擇的將要被感應(yīng)加熱的銷放在一個“已知”位置處的位置在Z軸方向上的運動，該“已知”位置被簡稱為0度θ(r)。一旦曲軸的銷移動到需要的豎直位置，曲軸旋轉(zhuǎn)直到基于來自光敏元件開關(guān)的輸入而讀出的θ(r)為0度。一旦確定了0度的θ(r)位置，該系統(tǒng)把曲軸沿Z軸(豎直)向下移入線圈位置，該位置是將要感應(yīng)加熱特定的銷的位置。一旦正確地設(shè)定了Z軸和θ(r)位置，那么X軸驅(qū)動系統(tǒng)被嚙合以便把感應(yīng)線圈組件移動到其嚙合點，該嚙合點將與相應(yīng)的曲軸的銷成一直線。接著，Y軸驅(qū)動系統(tǒng)別嚙合以便把感應(yīng)線圈組件移進曲軸。如相應(yīng)的圖中所示的，當(dāng)直接看機器的前面時(見圖3)，X軸方向是左右方向，Y軸方向是進出機器方向。因此，一旦建立了X和Y位置且曲軸被設(shè)定在0度θ(r)，該系統(tǒng)便開始旋轉(zhuǎn)(在θ(r)方向)，進入一個逆時針方向。在θ(r)方向上開始旋轉(zhuǎn)運動后，X和Y驅(qū)動系統(tǒng)緊隨，跟蹤用于該銷的特定軌道，形成一個相應(yīng)的逆時針路徑。盡管選擇了逆時針方向，應(yīng)當(dāng)注意，θ(r)方向既可以為順時針方向也可以為逆時針方向。
還應(yīng)當(dāng)注意，有一個脫開位置，該位置是θ(r)度數(shù)的位置，在該位置可以安全地與X和Y驅(qū)動系統(tǒng)脫開，把感應(yīng)線圈組件從與曲軸的相對關(guān)系中抽出，且不“碰撞”機器。當(dāng)曲軸逆時針方向，即θ(r)方向旋轉(zhuǎn)時，它將從0度位置讀出所有的360度的位置。目前，脫開位置被編程在240度。實際上所發(fā)生的是感應(yīng)線圈組件旋轉(zhuǎn)脫開，就象齒輪從彼此嚙合的關(guān)系旋轉(zhuǎn)脫開一樣。特定的脫開位置是基于零件技術(shù)要求，因此，當(dāng)零件改變時，脫開點也會改變。但是，脫開位置將通常在相應(yīng)的曲軸的銷的圓路徑的第三象限中。
一旦完成了感應(yīng)加熱循環(huán)，實際上，控制器(本發(fā)明中使用的是AllenBradley Slick 500)將指出加熱階段已經(jīng)結(jié)束。在該點處，X和Y驅(qū)動系統(tǒng)控制感應(yīng)線圈組件的脫開，此時為240度θ(r)。在進行該脫開時，最初啟動運動的Y軸方向，以便從其加熱位置退回線圈。實際上，X軸將仍嚙合，以便緊隨零件，從而不碰撞線圈的邊。一旦Y行程到達大約在編程的軸外面3英寸，可以與X軸驅(qū)動系統(tǒng)脫開，從而停止X軸移動。在該點處，X和Y驅(qū)動系統(tǒng)返回到原始位置或裝載位置，用于下一個銷。應(yīng)當(dāng)注意，線圈組件與曲軸脫開，同時曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種特定的脫開協(xié)議允許曲軸在淬火循環(huán)中旋轉(zhuǎn)，同時線圈被脫開。這種特定的協(xié)議允許更短的循環(huán)時間和均勻的淬火。事實上，所能做的是脫開線圈，在Z軸方向上降低曲軸，并且繼續(xù)在該點處進行補充淬火，同時對將要被感應(yīng)淬火的曲軸的下一個銷定位。這使得下一個銷放置在準備位置上，同時繼續(xù)用于前一個銷的淬火循環(huán)。如上所述，這允許更短的循環(huán)時間，同時不會對均勻淬火產(chǎn)生負面影響。
已經(jīng)參考圖1-17說明和描述了各種設(shè)備的設(shè)計和結(jié)構(gòu)。在每種情況下，由于有兩個連接成90度路徑或場的事實，所選擇的代表性的感應(yīng)線圈組件是詳細描述的一個90度線圈。在用于感應(yīng)線圈組件的該種類型的線圈的結(jié)構(gòu)中，實際上通過線圈流動的電流通過中心連接的連接支臂的方式流入或流出。在支臂的一側(cè)上有一個往返90度電流路徑，在該支臂的相對一側(cè)上有一個相連的90度電流路徑。
參考圖18、18A和19，示出了一個90度線圈組件300。線圈組件300包括線圈300a和支臂300b。支臂300b上設(shè)置有一個電流流入部分301和一個電流流出部分301a。這兩個部分彼此電絕緣，并且事實上從頂部到底部彼此錯開，其端部與線圈300a相連。一個電絕緣材料的部分302在銅導(dǎo)體材料的部分303周圍和之間成為一層。來自相連的變壓器的流入的電流通過部分301運行到線圈300a。然后，電流從點A到部分303a的上部在線圈301的暴露的表面304周圍運行大約90度。返回路徑是從部分303a的下部到點B。返回路徑也大約是90度。這90度路徑是描述線圈組件300作為一個90度線圈的基礎(chǔ)。
部分303b和303c與電絕緣材料的部分302a絕緣。包括點B的部分303d的中心在支臂300b的中心線和線圈300a的中心線上。支臂300b的中心線也與定位在部分301和301a之間的絕緣條305的中心線重合。
通過部分303d的電流是從下部的點B到上部的點C。在點C處，開始下一個(第二個)90度電流路徑。這個電流路徑是沿暴露的表面304從點C通過部分303e到部分303f。在該點處，電流路徑通過部分303f向下運行到部分303g。從部分303g出去的電流回到支臂300b的電流流出部分301a。
如圖18、18A和19中所示，通過在線圈300a的表面304中形成圖6A中所示的淬火孔，線圈組件300的結(jié)構(gòu)可以具有水淬火能力。與這些淬火孔相連的是相配合的在線圈300a的內(nèi)部形成的通道。為了圖面清晰起見，在圖19中未示出這些淬火孔，以便可以清晰地示出導(dǎo)體和非導(dǎo)體部分及相應(yīng)的電流路徑。
圖18、18A和19中所示的線圈組件300的類型適合于圖1-17中所示的實施例，并且適合于被這些所示的實施例處理的工件的感應(yīng)淬火。但是，人們已經(jīng)了解到，線圈組件的另外一種類型(180度)最好用于特定的比如曲軸之類的工件的所選擇部分的感應(yīng)淬火。
圖20、21和22示出了線圈組件310的另一種類型(即“偏移型”)。描述為180度以及稱為“偏移”型的線圈組件310來自于下述事實，即連接支臂311沿激勵線圈310a的一側(cè)定位，使得在電流向下運行到前表面313且回轉(zhuǎn)180度穿過下表面314回到支臂311之前，電流在一個大約180度的路徑內(nèi)穿過線圈310a的頂表面312運行。箭頭315示出了線圈組件310的電流路徑?？梢岳斫?，當(dāng)在90度線圈類型和180度線圈類型之間時，90度線圈組件類型更靠近本領(lǐng)域的狀態(tài)或工業(yè)標準。因此，應(yīng)當(dāng)理解，如此所述的180度偏移型線圈組件310是一個獨一無二的和全新的設(shè)計，脫離了工業(yè)標準。在描述線圈310a時稱為“偏移”型是因為支臂位置偏移中心。如圖20、21和22所示，線圈組件310的詳細結(jié)構(gòu)包括線圈310a和支臂311，下面將進行描述。線圈組件310的一些基本的結(jié)構(gòu)是遵照眾所周知的用于感應(yīng)淬火線圈的設(shè)計原理的。線圈組件310的獨一無二性和新穎性在于線圈310a的具體的結(jié)構(gòu)，并且更重要的在于包括在線圈周圍運行的180度相應(yīng)的電流路徑，如上所述。
繼續(xù)參考圖20、21和22，支臂311具有兩個導(dǎo)體部分318和319(一個正極，一個負極)，它們被分隔開并且由絕緣板320電絕緣(和隔離)。連接塊321被設(shè)計成可與一個電母線(未示出)機械連接和電連接，該母線有效地與變壓器(未示出)相連。連接塊321與兩個導(dǎo)體部分318和319中的每一個機械和電連接。加熱電流從變壓器穿過一個導(dǎo)體部分318流入，并通過另一個導(dǎo)體部分319流回變壓器。設(shè)置在連接塊321中的是兩個水通道324和325，每一個導(dǎo)體部分包括一個相應(yīng)的和相連的通道326和327。在導(dǎo)體部分318中的通道326與通道324連通。在導(dǎo)體部分319中的通道327與通道325連通。
螺紋緊固件328用于把兩個導(dǎo)體部分318和319連接在一起，并且把絕緣板320機械地夾在并固定在兩個導(dǎo)體部分之間。支臂311(即兩個導(dǎo)體部分318、319與絕緣板320的組件)的端部329與180度線圈310a的一側(cè)330相連。絕緣體331把支臂311與線圈310a的電連接限定在端部329的集中區(qū)域中。塊332用于固定和加強支臂311與線圈310a的連接的支撐物。螺紋緊固件333用于把塊332固定在線圈310a的后表面336上和部分319的長邊337上。
流入的電流穿過部分319運行，在端部329拐彎，并且穿過線圈310a的頂表面312流動大約180度。然后，電流路徑沿前表面313而行并流到下表面314。在該點上，電流圍繞線圈310a流動180度回到部分319，并從此處沿部分319的下側(cè)回到塊321。這種偏移線圈組件310大約180度的電流流動路徑的加熱動力學(xué)把動力導(dǎo)入頂部邊緣，然后導(dǎo)入底部邊緣，最后是中部。穿過頂表面312的電流路徑為至少180度的半圓形狀。該路徑的曲率與線圈310a的內(nèi)表面310b的彎曲圓柱形幾何形狀相一致。內(nèi)表面310b延伸至少180度，并且代表靠近將要被感應(yīng)淬火的工件部分的表面。
通過比較180度線圈組件和90度線圈組件之間的加熱模式和加熱處理結(jié)果可以了解到，90度線圈組件在熱量到達鄰近或周圍的角落之前在工件的中心區(qū)域開始產(chǎn)生加熱動力，尤其是比如曲軸的銷之類的工件的選擇部分。在需要加熱處理角落部分的特定條件下，在熱量逐漸到達角落之前，中心部分將變得太熱。導(dǎo)致這種情況的原因是由于90度電流路徑，以及在任何一次(一個位置)僅加熱四分之一的銷，并且對于固定的質(zhì)量熱量較少。相比較，180度線圈310a具有一個首先在角落部分開始加熱然后移到中心部分的電流路徑。應(yīng)當(dāng)注意，在曲軸的銷和內(nèi)部主要部分的設(shè)計中，在此討論的內(nèi)側(cè)角落是與實際的銷或主要部分相比較質(zhì)量更大的位置。通過首先加熱質(zhì)量較大的位置，可增加熱量，且不過熱質(zhì)量較小的部分。
在圖23、24和25中，示出了對于90度線圈組件300和180度線圈組件310的用于不同的元件部分的加熱模式(熱處理)結(jié)果。圖23的加熱模式是用于外部主軸承338，外部邊緣或角落339、340不是從高硬度和高強度的觀點考慮的關(guān)鍵區(qū)域。因此，線圈組件300或310的類型可被用于外部主軸承。
當(dāng)內(nèi)部主軸承或銷被感應(yīng)淬火時，因為角落需要承受扭動負載，角落強度很關(guān)鍵，所以熱處理模式需要包括內(nèi)角。用90度線圈組件300，圖25中示出了用于內(nèi)部主軸承或銷341的加熱模式。如圖所示，內(nèi)角342不能受到足夠的熱處理以達到需要的或必要的硬度和強度。相比較，圖24的加熱模式可通過使用180度線圈組件310達到。在此，圓柱形內(nèi)部主軸承(或銷)346的每一側(cè)上的內(nèi)角344、345被充分的熱處理以獲得需要的硬度和強度。如所理解的，90度線圈組件300適用于外部主要部分(No．1和No．5)，而比如180度線圈組件310應(yīng)當(dāng)用于內(nèi)部主要部分(No．2、3和4)。通過使用180度線圈組件產(chǎn)生的淬火模式十分重要，而且與90度線圈組件相比較，使用180度線圈組件還有其它的好處。以使用曲軸曲柄銷作為例子，測試結(jié)果顯示出，對于使用90度線圈組件300的典型的裝置，它將花大約18秒來正常的把銷加熱到需要的熱處理條件。在其它事實上相同的條件下使用180度線圈組件310，它將花大約11秒來正常的把銷加熱到需要的熱處理條件。節(jié)約時間直接與下述事實相關(guān)，即通過首先加熱質(zhì)量最大的位置而不是最后加熱，可不必花費時間等待這些位置升高到必要的溫度。另外，使用180度線圈310a，有更大的通過線圈進行水冷卻的質(zhì)量區(qū)域，該線圈允許更大的熱容和更大的功率。180度線圈的加熱能力是90度線圈的加熱能力的兩倍。當(dāng)要求復(fù)雜性較小時或要求更大或更強的電場時，180度線圈要比90度線圈好。90度線圈產(chǎn)生的功率小，使用的銅少，并且能夠使流動冷卻的液體較少。
圖23-25所示的熱處理模式是從已經(jīng)被使用90度和180度線圈組件感應(yīng)淬火的實際部件的微小部分。如通過使用在此示出和描述的新穎的和非顯而易見的180度線圈組件310所達到的效果，圖24的熱處理描模式是獨一無二的和重要的。
主軸承、銷和平衡重的布置在某種程度上隨發(fā)動機類型的不同而改變。例如，一種直線六(in-line six)發(fā)動機具有三對銷，它們可被成對熱處理(即感應(yīng)淬火)，因為成對銷相對于頂部靜止中心位置的位置相同。如所理解的，銷3和4可被一起同時處理，銷2和5可被一起同時處理，銷1和6可被一起同時處理。在一種V-6發(fā)動機中，六個銷被分成三對，以便正確地平衡V-6發(fā)動機。每對中的兩個銷彼此鄰近，并且被稱為“開口銷”(“split pins”)。從感應(yīng)淬火的觀點看，這可被認為是一個更獨一無二的情況，但用于V-6發(fā)動機的曲軸仍然是相對普通的結(jié)構(gòu)。
在圖26中示出了曲軸曲柄銷的“開口銷”對350和351。為了正確地平衡V-6發(fā)動機，這些銷能可轉(zhuǎn)動地偏移30度。兩個銷350和351之間的區(qū)域352具有固有的弱點，這是因為它是曲軸的最薄的區(qū)域或部分。圖27是示出區(qū)域352在橫截面上看起來象什么的示意圖，由于銷350和351的圓柱形特性和這兩個圓柱形銷彼此相對位移，使得它們的圓柱軸并不重合。通過截面27-27的區(qū)域352的扇形形狀352a因其幾何形狀被稱為一個“足球”或足球形。作為圖26中所示的局部曲軸的部分的是平衡重353和354。加熱(即感應(yīng)淬火)順序從成圓角的內(nèi)角355a和355b開始。隨后是軸頸(即銷350和351)的加熱(即感應(yīng)淬火)。與對圖24的內(nèi)角344和345的描述相一致，內(nèi)角355a和355b是質(zhì)量較大的區(qū)域。部分是由于被首先加熱，180度線圈設(shè)計在這個區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量。圖26中示出了最終的加熱模式。
用于控制輸入曲軸或其它工件的熱量的另一種選擇是隨著當(dāng)前靠近線圈的物體質(zhì)量不同改變曲軸的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)感應(yīng)淬火線圈靠近平衡重的較窄部分時，旋轉(zhuǎn)速度加塊，因為要求輸入的熱量較少。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動且平衡重的大部分靠近線圈定位時，旋轉(zhuǎn)速度變慢，以便輸入更多的熱量。
根據(jù)本發(fā)明，用于感應(yīng)淬火銷350和351的最好的方法是同時使用兩個180度偏移線圈組件310(見圖28)。由于有一個30度的偏移或位移，兩個線圈組件將在進入紙面或垂直紙面的方向上具有類似的偏移或位移。通過使兩個線圈組件與曲軸的兩個銷成一直線，過渡區(qū)352不被直接加熱。而是，考慮到這個區(qū)域的較薄的質(zhì)量，對銷的加熱將對區(qū)域352進行足夠的加熱，以便實現(xiàn)需要的感應(yīng)淬火。由于有三對錯開的銷，對銷350和351的加熱(感應(yīng)淬火)基本上與對其它兩對銷的加熱相同。如圖28中所示，每個180度偏移線圈組件310與相應(yīng)的變壓器357和358電連接和機械連接。每個變壓器安裝在其本身的相應(yīng)X、Y定位臺359和360上。
銷350和351的鄰近對感應(yīng)淬火是一個挑戰(zhàn)，這是因為一個銷的加熱不與相鄰的銷的加熱同時，使得相鄰的銷的邊緣回火。兩個銷很靠近時，可使得用于感應(yīng)淬火一個銷所產(chǎn)生的熱量不能與相鄰的銷隔離，從而導(dǎo)致回火。如果銷350和351不被同時感應(yīng)淬火，中間區(qū)域352，即兩個銷之間的連接部分，仍然是一個沒有足夠硬度的軟化區(qū)域。
圖28示出了兩個偏移線圈組件310的布置，用于作為V-6發(fā)動機曲軸的部分的開口銷350和351的感應(yīng)淬火。圖29示出了使用兩個偏移線圈組件310來對一個直線六曲軸進行感應(yīng)淬火。圖28和圖29之間的唯一的不同是被感應(yīng)淬火的曲軸的樣式和類型不同。
參考圖30說明本發(fā)明的另一個特征。90度線圈組件300適用于曲軸356的外部主要部分，而180度線圈組件310最好用于曲軸的內(nèi)部主要部分。在同樣的比如曲軸的工件上使用兩個不同類型的感應(yīng)線圈組件要求，在使用時，兩種類型的線圈組件具有相同的軸中線，從而不必位移或移動曲軸的軸。如此所述的，一旦線圈移動到用于非接觸軌道跟蹤的位置，每個線圈組件300、310的每一個感應(yīng)線圈300a、310a的軸與曲軸356的旋轉(zhuǎn)的豎直或長度軸重合。最好偏移或位移兩個變壓器357、358，而不是必須位移曲軸356的豎直軸與對準另一線圈組件310的一個線圈組件300對準。根據(jù)本發(fā)明，可以把一個90度線圈組件300連接到第一變壓器357上，把一個180度線圈組件310連接到第二變壓器358上。盡管可以混合使用90度線圈與180度線圈，當(dāng)更可能的布置是使用同樣的線圈組件，如圖28(V-6)和圖29(直線六)中所示的。
兩個變壓器被彼此偏移或位移，但線圈被如此定位，即對于一個直線六汽缸類型發(fā)動機，當(dāng)線圈移動到位置時，線圈的軸中線彼此重合并與曲軸356的旋轉(zhuǎn)豎直軸重合。如前所述，每個變壓器安裝在其本身的相應(yīng)X、Y定位臺359、360上，用于定位根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)淬火線圈。應(yīng)當(dāng)注意，對于V-6類型發(fā)動機(見圖28)，線圈的軸中線并不彼此重合。且不與曲軸的旋轉(zhuǎn)豎直軸重合。
盡管在附圖中和前面的描述中詳細說明了本發(fā)明，但它們僅用于說明，并不對特征進行限制，可以理解，僅示出和描述了最佳實施例，在本發(fā)明的宗旨下的所有的變化和修改都受到保護。
權(quán)利要求
1.一種用于感應(yīng)加熱和淬硬工件的感應(yīng)淬火裝置，所述感應(yīng)淬火裝置包括用于在工件位置處定位和支撐所述工件的固定裝置；用于轉(zhuǎn)動所述工件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置；一感應(yīng)淬火臺，其鄰近所述工件位置并包括一個非接觸感應(yīng)線圈和一個用于以預(yù)定的路徑移動所述感應(yīng)線圈的非接觸定位系統(tǒng)；控制裝置，用于基于將要感應(yīng)淬火的所述工件的一部分的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生線圈路徑數(shù)據(jù)，所述控制裝置有效地與所述定位系統(tǒng)相連；以及所述工件的所述部分在工件轉(zhuǎn)動期間在一個軌道路徑中移動，并且由所述定位系統(tǒng)產(chǎn)生的所述預(yù)定路徑跟蹤所述軌道路徑，由此使得在所述工件轉(zhuǎn)動期間所述感應(yīng)線圈的內(nèi)表面和所述工件部分之間的間距保持均勻，移動所述感應(yīng)線圈以便其不與所述工件部分接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述感應(yīng)線圈是一個偏移180度線圈。
3.如權(quán)利要求2所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述定位系統(tǒng)包括彼此成直角設(shè)置的X和Y驅(qū)動系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求3所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述固定裝置包括一對相對設(shè)置的頂尖支撐物，用于定位和支撐所述曲軸。
5.如權(quán)利要求4所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述軌道路徑是圓形的。
6.如權(quán)利要求5所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述定位系統(tǒng)還包括X和Y驅(qū)動系統(tǒng)的電子控制器。
7.如權(quán)利要求6所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，其包括一個具有90度線圈結(jié)構(gòu)的第二感應(yīng)線圈。
8.如權(quán)利要求7所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述180度線圈有效地與第一變壓器相連，所述90度線圈有效地與第二變壓器相連。
9.如權(quán)利要求8所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述工件是一曲軸。
10.一種用于感應(yīng)加熱和淬硬曲軸的感應(yīng)淬火裝置，所述感應(yīng)淬火裝置包括用于在曲軸位置處定位和支撐所述曲軸的固定裝置；用于轉(zhuǎn)動所述曲軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置；一感應(yīng)淬火臺，其鄰近所述曲軸位置并包括一個感應(yīng)線圈和一個用于以預(yù)定的路徑移動所述感應(yīng)線圈的定位系統(tǒng)；控制裝置，用于基于將要感應(yīng)淬火的所述曲軸的一部分的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生線圈路徑數(shù)據(jù)；以及所述曲軸的所述部分在曲軸轉(zhuǎn)動期間在一個軌道路徑中移動，并且由所述定位系統(tǒng)產(chǎn)生的所述預(yù)定路徑跟蹤所述軌道路徑，由此使得在所述曲軸轉(zhuǎn)動期間所述感應(yīng)線圈的內(nèi)表面和所述曲軸部分之間的間距基本上保持均勻。
11.如權(quán)利要求10所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述感應(yīng)線圈是一個偏移180度線圈。
12.如權(quán)利要求11所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述定位系統(tǒng)包括彼此成直角設(shè)置的X和Y驅(qū)動系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求12所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述軌道路徑是圓形的。
14.如權(quán)利要求13所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述定位系統(tǒng)還包括X和Y驅(qū)動系統(tǒng)的電子控制器。
15.如權(quán)利要求14所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，所述感應(yīng)線圈被構(gòu)造和設(shè)計成具有淬火液體開口，用于把淬火液體引入到所述曲軸的所述部分上。
16.如權(quán)利要求15所述的感應(yīng)淬火裝置，其特征在于，其包括一個具有90度線圈結(jié)構(gòu)的第二感應(yīng)線圈。
17.一種用于感應(yīng)淬火工件的一部分的感應(yīng)淬火裝置，所述感應(yīng)淬火線圈組件包括一具有內(nèi)部線圈彎曲部分的線圈，該內(nèi)部線圈彎曲部分圍繞線圈軸延伸大約180度；一沿所述線圈的一側(cè)相連的支臂，并且在所述線圈和一個電流源之間提供電連接。
全文摘要
一種用于感應(yīng)加熱和淬硬曲軸(21)的感應(yīng)淬火裝置(20)包括一個具有類似結(jié)構(gòu)的兩個工位(33,36)的裝置和一個把曲軸從第一工位運到第二工位的機械手設(shè)備(37)。該感應(yīng)淬火裝置被設(shè)計成具有一個單獨的位于第一工位的感應(yīng)線圈(48),用于順序感應(yīng)加熱和淬硬曲軸的銷。在第二工位,一個單獨的感應(yīng)線圈(63)用于曲軸的軸承面。本發(fā)明第一個特征是,感應(yīng)線圈不與將要被感應(yīng)加熱和淬硬的曲軸的表面接觸。曲軸尺寸和幾何形狀被編程進伺服驅(qū)動系統(tǒng)(49,51),其在X和Y方向上移動相應(yīng)的線圈,以精確地跟蹤每個銷和每個軸承面的軌道或路徑。本發(fā)明的另一個特征是使用一個偏移180度線圈(310),其提供比傳統(tǒng)的90度線圈花費時間要少的改進的加熱模式。
文檔編號H05B6/36GK1280755SQ98811757
公開日2001年1月17日 申請日期1998年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月29日
發(fā)明者約翰·M·斯托姆, 馬克思·E·斯圖爾特, 斯潘塞·L·吉布斯 申請人:輪廓硬化公司