ИНДУКТОР ДЛЯ НАГРЕВА ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ ДЕТАЛЕЙ В ВИДЕ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ

Настоящая полезная модель относится к области электротермии, в частности к области индукционного нагрева, и предназначена для нагрева зубчатого венца и прилегающих гладких цилиндрических шеек косозубых шестерен и зубчатых колес с большим углом наклона линии зубьев под поверхностную и объемную закалку.
Элементы механизмов, такие, как зубчатые колеса, зубчатые валы и зубчатые барабаны, часто подвергаются значительным механическим нагрузкам, испытывают фрикционный износ и ударные нагрузки. Поэтому при изготовлении зубчатых колес вслед за нарезкой зубьев следует термообработка с целью их упрочнения.
Известны и широко применяются на предприятиях машиностроения для одновременного или непрерывно-последовательного нагрева под поверхностную закалку зубчатых венцов шестерен и зубчатых колес малого и среднего модуля индукторы в форме петли или соленоида, охватывающие деталь по окружности венца.
2
Известно устройство для термомеханической обработки зубчатых колес (см. авт.св. SU 531870, МПК C21D 9/32, 1976 г), содержащее индуктор с рабочими витками и механизм упрочнения зубьев, при этом витки индуктора размещены вдоль вершин каждого нагружающего элемента.
Недостатком данного устройства является низкое качество /прочность/ зубчатого профиля.
Примерами индукторов, выполненных в виде соленоида, могут также служить, например:
7
- Индуктор для нагрева изделий, описанный в патенте RU 2254692, МПК Н05В 6/36, оп. 2004, содержащий многовитковый соленоид;
7
- Устройство для индукционного нагрева длинномерных изделий, содержащее магнитопровод с обмоткой и цилиндрическое тело, описанное в патенте RU 2221877, МПК C21D 1/42, C21D 9/52, оп. 2004;
6
- Индукционная нагревательная установка по патенту RU 2103843, МПК Н05В 6/36, Н05В 6/06, оп. 1998, содержащая внешнюю обмотку, подключенную к источнику питания и охватывающую защитную трубку, внутри которой размещен дополнительный индукционно-нагревательный элемент, выполненный в виде одного или нескольких отрезков трубчатого тела, выполненных из электропроводного материала. Обрабатываемые заготовки располагаются в полостях отрезков трубчатых тел. Устройство может быть снабжено блоком управления нагревом дополнительными измерительными обмотками;
6
- Известен также индуктор для нагрева металлических заготовок, выполненный в виде спирали из двух охлаждаемых водой трубок, образующих параллельные токопроводящие ветви при равной длине каждой ветви (см. патент RU 35496, МПК Н05В 6/36, оп. 2004);
7
- Известен индуктор для закалки цилиндрических поверхностей переменного профиля с галтелью, включающий индуктирующий провод и спрейер, в котором индуктирующий провод выполнен одновитковым в виде двух последовательно соединенных полуокружностей, находящихся в смещенных относительно друг друга плоскостях на величину, обеспечивающую одновременный нагрев поверхности переменного профиля и галтели. Индуктор известен из патента №RU 13459, МПК Н05В 6/36, оп. 2000.
В качестве примеров индукторов, выполненных в форме петли, могут служить, например:
5
- Индуктор для нагрева длинномерных вращающихся деталей, выполненный в виде петлевой многовитковой катушки, витки которой расположены по цилиндрическим поверхностям вдоль их образующих, причем внутренний виток расположен на поверхности большего радиуса (см. патент RU 993490, МПК Н05В 6/36, оп. 1983; патент ФРГ №969849, кл. 21h 29/03, 1958). Недостаток этого индуктора - неравномерность нагрева деталей с переменным по длине сечения;
5
- Индуктор для нагрева вращающихся деталей, в том числе и переменной толщины, в частности железнодорожных и зубчатых колес, дисков и рабочих колес турбомашин, выполненный в виде удлиненных петель с выводами, которые охватывают нагреваемую деталь с двух сторон, при этом каждая петля имеет внешний индуктирующий провод (см. патент RU 2270534, МПК Н05В 6/36, оп. 2004);
- Индуктор для нагрева детали в виде тела вращения с переменным диаметром, с числом ветвей токопровода, большим двух, параллельных образующей поверхности детали и расположенных симметрично ей (см. патент Франции №2371848, МПК Н05В 5/08, оп. 1978), при объемном нагреве, связанном со значительным удлинением по длине вдоль оси, не обеспечивает равномерность нагрева по длине детали;
5
- Индуктор для двухступенчатого нагрева длинномерных цилиндрических деталей переменного сечения, содержащий два петлевых токопровода, установленных в теплоизоляционных корпусах. Ветви токопровода этого петлевого индуктора расположены параллельно оси торсионного вала. Форма указанного петлевого индуктора выбирается с учетом различных сечений отдельных участков торсионных валов (стержня, галтелей и шлицевых головок), она должна обеспечивать оптимальный зазор между токопроводом и нагреваемой поверхностью на каждом участке детали. Выбор различной длины токопроводов и определенной конструкции корпуса позволяет повысить равномерность нагрева деталей (см. патент RU 1760658, МПК Н05В 6/36, оп. 1992). Указанный индуктор установлен в автоматической линии высокотемпературной термомеханической обработки торсионных валов проект ОЛ 9976 133 (линия создана ОАО ВНИТИ, эксплуатируется на ОАО «НПК «Уралвагонзавод»).
Общим недостатком известных индукторов, рассмотренных выше, является их непригодность для нагрева шестерни с одной установки детали в индуктор, если кроме зубчатого венца требуется также закалка цилиндрических поверхностей одной или нескольких шеек различных диаметров, непосредственно примыкающих к зубчатому венцу, поскольку установить всю деталь в индуктор-соленоид или пройти ее индуктором-петлей можно только при диаметре индуктора, соответствующем наибольшему сечению детали, т.е. зубчатому венцу. При этом зазор между индуктором и поверхностью нагреваемых шеек будет больше оптимального, а нагрев этих участков детали неудовлетворительным.
Поверхности зубчатого венца и шеек можно нагреть и закалить поочередно. В качестве примеров таких индукторов могут служить, например:
7
- Полуавтомат для индукционной последовательной закалки (см. патент RU 17535, МПК C21D 1/10, оп. 2001) содержит корпус с высокочастотным трансформатором, двухпозиционным индуктором и кареткой, выполненной с возможностью перемещения по вертикальным направляющим;
6
- Устройство для поверхностной закалки деталей в виде тел вращения нагревом токами высокой частоты, содержащее сменный индуктор, размещенный на площадке держателя, выполненного с возможностью установки на станке, обеспечивающем рабочие перемещения сменного индуктора относительно обрабатываемых деталей и их вращение (SU 396374, МПК C21D 9/28, 1973 г.; патент RU 93397, МПК C21D 1/10, C21D 1/40/ C21D 9/28, оп. 2010 г.);
7
- Способ термической обработки длинномерных изделий включает индукционный нагрев при прохождении изделия через индукторы и последующее принудительное охлаждение (см. патент RU 2421527, МПК C21D 1/42, С21В 9/08, оп.2011);
7
- В способе упрочнения валов и осей сложного профиля, включающем индукционную поверхностную закалку и отпуск, перед поверхностной закалкой осуществляют одновременно или непрерывно-последовательно индукционный подогрев переходных зон сопрягаемых поверхностей вала или оси с последующей выдержкой (см. патент RU 2309988, МПК C21D 1/42, C21D 9/30, оп. 2007).
Однако у поочередной закалки поверхностей зубчатого венца и прилегающих к нему шеек имеются следующие недостатки. При создании автоматизированной индукционной установки с автоматизацией процесса обработки необходимо предусматривать отдельные посты нагрева и охлаждения для каждой закаливаемой поверхности детали, что связано с увеличением габаритов установки и необходимой производственной площади для ее размещения. Если же ограничиться в установке одним постом нагрева и закалки для всех закаливаемых поверхностей детали, то потребуется переналадка (смена индукторов) в процессе обработки деталей одной партии и, соответственно, невозможность автоматизации процесса. Это приведет к повышению трудоемкости изготовления деталей и удлинению технологического цикла. Кроме того, при нагреве под закалку следующей поверхности детали произойдет разупрочнение прилегающего участка ранее закаленной поверхности, т.к. он будет находиться в зоне термического влияния нагрева этой, следующей, поверхности. Это отрицательно скажется на качестве поверхностной закалки шестерен.
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, т.е. прототипом, является индуктор для нагрева длинномерных вращающихся деталей, описанный в SU 560368, МПК Н05В 5/18, C21D 1/12, оп. 1977. Известный индуктор предназначен для нагрева длинномерных вращающихся деталей преимущественно с увеличенным поперечным сечением по концам и в центре. Индуктор выполнен в виде петли, охватывающей деталь по длине. Ветви петли изогнуты относительно продольной оси детали по концам и в центре на угол, зависящий от диаметра нагреваемой детали и длины увеличенного сечения, причем в середине индуктора обе петли размещены по одну сторону нагреваемой детали.
Недостатком известного технического решения, выбранного за прототип, является его узкие технологические возможности. Так, для нагрева зубчатых венцов и прилегающих гладких цилиндрических шеек косозубых шестерен и зубчатых колес, имеющих большой угол наклона линии зубьев, под поверхностную и объемную закалку, этот индуктор непригоден, т.к. угол наклона ветвей индуктора не совпадает с углом наклона зубьев зубчатого венца, в результате чего известный индуктор не позволит осуществлять локальное регулирование удельной мощности с целью получения равномерного нагрева зубчатого венца.
Настоящая полезная модель направлена на исключение вышеперечисленных недостатков, а именно на обеспечение возможности нагрева зубчатого венца и прилегающих гладких цилиндрических шеек косозубых шестерен и зубчатых колес, имеющих большой угол наклона линии зубьев, под поверхностную и объемную закалку с обеспечением равномерного нагрева зубчатого венца.
Для решения поставленной задачи в индукторе для нагрева токами высокой частоты деталей в виде тел вращения, преимущественно косозубых шестерен и зубчатых колес с большим углом наклона линии зубьев, выполненном в виде петлевого токопровода, охватывающего нагреваемую деталь по длине, ветви которого параллельны и изогнуты относительно продольной оси детали, согласно заявляемой полезной модели на участке зубчатого венца прямая и обратная ветви токопровода расположены по разные стороны венца, с двух диаметрально противоположных его сторон.
Другим отличием заявляемого индуктора является то, что на участке зубчатого венца прямая и обратная ветви токопровода развернуты параллельно направлению зубьев, образуя с продольной осью детали угол, равный углу наклона линии зубьев, а между собой угол, равный двум углам наклона линии зубьев.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая полезная модель отличается формой выполнения элементов, их взаимным расположением, связями между собой.
Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время неизвестен индуктор для нагрева токами высокой частоты деталей в виде тел вращения, преимущественно косозубых шестерен и зубчатых колес с большим углом наклона линии зубьев, обладающий такой же совокупностью существенных признаков, как и предлагаемый. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию полезной модели "новизна".
Выполнение индуктора в виде петлевого токопровода, охватывающего нагреваемую деталь по длине, ветви которого параллельны и изогнуты относительно продольной оси детали, расположение прямой и обратной ветвей токопровода на участке зубчатого венца по разные его стороны, с двух диаметрально противоположных сторон, и разворот прямой и обратной ветвей на участке зубчатого венца параллельно направлению зубьев с образованием с продольной осью детали угла, равного углу наклона линии зубьев, а между собой угла, равного двум углам наклона линии зубьев, позволит обеспечивать оптимальный зазор между токопроводом и нагреваемой поверхностью на каждом участке детали. Это позволит осуществлять локальное регулирование удельной мощности с целью получения равномерного высококачественного нагрева поверхности сложного профиля косозубого венца с большим углом наклона линии зубьев. Указанные отличия заявляемого индуктора позволят также обеспечить высокое качество поверхностной закалки детали путем одновременного (в одном индукторе с одной установки детали) нагрева поверхностей зубчатого венца и прилегающих к нему шеек, позволяющего исключить явление термического влияния внутри закаливаемой зоны (на стыке зубчатого венца и шеек). Это, в свою очередь, сократит вспомогательное время обработки на установку и съем детали из индуктора при обработке одной партии деталей, а также на установку каждого индуктора и соответственно снижается трудоемкость обработки и технологический цикл.
Вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемого технического решения, например, в машиностроительной промышленности при термической обработке косозубых шестерен и косозубых колес, в частности при термической обработке шестерен, в которых поверхностной закалке подвергаются зубчатый венец и прилегающие к венцу гладкие цилиндрические шейки, т.е. оно соответствует критерию полезной модели "промышленная применимость".
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на:
- фиг.1 схематично изображен заявляемый индуктор для нагрева токами высокой частоты деталей в виде тел вращения в сборе с шестерней, на которой имеется один незакаливаемый резьбовой конец (вид сбоку);
- на фиг 2 - то же (вид сзади).
n
n
Заявляемый индуктор для нагрева токами высокой частоты деталей в виде тел вращения под поверхностную закалку содержит токопровод 1, представляющий собой петлю, содержащую прямую 2 и обратную 3 ветви с установленным на нем магнитопроводом 4. Ветви 2 и 3 охватывают деталь 5 по длине и параллельны на участке гладких цилиндрических шеек относительно ее продольной оси. Ветви токопровода 1 прямая 2 и обратная 3 на участке, соответствующем зубчатому венцу, развернуты относительно продольной оси детали 5 и имеют направление, параллельное направлению зубьев венца, при этом они расположены по разные стороны венца, с двух диаметрально противоположных его сторон. Угол между этими участками ветвей 2 и 3 токопровода 1 и осью детали 5 равен углу наклона линии зубьев β венца, а между ними - двум углам наклона линии зубьев 2β поскольку с диаметрально противоположных сторон детали направление наклона линии зубьев является обратным.
Индуктор может охватывать деталь как по всей длине, если требуется нагрев поверхности всей детали, так и только части ее в случае наличия на детали незакаливаемого одного или обоих концов (например, при наличии на концах детали резьбы).
Индуктор для нагрева токами высокой частоты деталей в виде тел вращения работает следующим образом.
При пропускании тока через индуктор создаваемое им электромагнитное поле индуцирует токи в детали, например, в шестерне, которые разогревают ее. Локальное изменение температуры нагрева происходит в зоне изогнутых ветвей 2 и 3 индуктора на участке зубчатого венца шестерни. Изменение угла наклона изогнутых участков индуктирующего провода позволит локально регулировать удельную мощность, передаваемую в нагреваемую деталь 5, что, в конечном счете, при одновременном вращении детали вокруг оси обеспечивает равномерный нагрев по всему сечению зубчатого венца и прилегающих гладких цилиндрических шеек косозубых шестерен и зубчатых колес с большим углом наклона линии зубьев.
Таким образом, использование заявляемого индуктора позволит получить следующий технико-экономический эффект:
а) повышение качества поверхностной закалки шестерен, в которых упрочнению подлежат зубчатый венец и прилегающие к венцу гладкие цилиндрические шейки, шестерен и косозубых зубчатых колес вследствие обеспечения равномерной температуры и глубины нагрева, а также в результате исключения возможных зон термического влияния в месте сопряжения поверхностей венца и шеек;
б) проведение одновременного нагрева всей закаливаемой поверхности шестерни, включая зубчатый венец и прилегающие к венцу шейки, в одном индукторе, и, следовательно, с одной установки детали в индуктор, вместо поочередного нагрева поверхности венца и каждой шейки в своем индукторе соответствующего диаметра, вследствие чего сокращается вспомогательное время обработки на установку и съем детали из индуктора при обработке одной партии деталей, а также на установку каждого индуктора и соответственно снижается трудоемкость обработки и технологический цикл.