CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN POR EXPLORACIÓN.

La presente invención está relacionada con el calentamiento por inducción de una pieza de trabajo alargada con exploración de la pieza de trabajo con una bobina de inducción. Antecedentes de la invención Las piezas de trabajo alargadas, tales como árboles de accionamiento, requieren un tratamiento térmico de características seleccionadas en la pieza de trabajo. Por ejemplo, una primera característica, tal como un piñón, puede disponerse tal vez en un extremo de un árbol de accionamiento, y una segunda característica, tal como un acoplamiento universal, puede disponerse tal vez en el otro extremo. El engranaje y acoplamiento tienen configuraciones físicas diferentes y necesitan diferentes patrones de tratamiento térmico para el endurecimiento metalúrgico de estos componentes. Además una característica tratada térmicamente puede necesitar ser templada después del tratamiento térmico para liberar las tensiones metalúrgicas en el material de la característica. Un método para el tratamiento térmico de piezas de trabajo y características de las piezas de trabajo es el tratamiento térmico por exploración con inducción eléctrica (o progresiva). En este procedimiento, la pieza de trabajo se mueve generalmente a través de uno o varios inductores de exploración, aunque en otras disposiciones la pieza de trabajo puede estar estacionaria y el uno o varios inductores (bobinas) de exploración pueden moverse a lo largo de la longitud de la pieza de trabajo. Se aplica energía de CA al inductor de exploración para crear un campo magnético alrededor del inductor. El campo se acopla magnéticamente con la pieza de trabajo para calentar de manera inductiva la pieza de trabajo. La energía de CA al inductor de exploración puede variarse a medida que la pieza de trabajo pasa a través del inductor. Por ejemplo, la patente de EE.UU. nº 3.743.808 enseña cómo controlar la potencia de inducción y/o la velocidad de exploración del inductor de exploración mediante la comparación instantánea de la potencia y la velocidad instantánea con un perfil conocido de distribución de energía. El régimen al que se mueve la pieza de trabajo a través del inductor (régimen de exploración) puede utilizarse para controlar el grado de calentamiento en la sección transversal de la pieza de trabajo que está acoplada con el campo magnético. La profundidad de penetración del calor por inducción (profundidad de penetración, ) de corriente inducida de una pieza de trabajo se puede calcular con la fórmula: donde está en metros; es la resistividad eléctrica de la pieza de trabajo en ohmios -metros; µ es la permeabilidad magnética relativa de la pieza de trabajo; y F es la frecuencia de la energía de inducción suministrada en Hercios. Por lo tanto, la profundidad de penetración es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia de la corriente aplicada. Si la pieza de trabajo tiene dos características con una primera característica que necesita calentamiento a poca profundidad de penetración (p. ej. 2,5 mm) y una segunda característica que necesita calentamiento a una mayor profundidad de penetración (p. ej. 4,5 mm), el método convencional utiliza un inversor con una frecuencia de salida fija, por ejemplo 10.000 Hercios, para conseguir la profundidad de penetración menos profunda. A partir de la ecuación anterior, la frecuencia de salida del inversor debería ser inferior a 10.000 Hz para la profundidad más honda de la segunda característica de la pieza de trabajo, pero como la frecuencia es fija la exploración de calor por inducción de la segunda característica debe ralentizarse para permitir una penetración más profunda del calor por conducción de calor en la segunda característica. Además, debido al régimen de exploración más lento, la potencia de salida del inversor hacia la bobina de inducción debe reducirse para evitar un sobrecalentamiento de la superficie de la segunda característica. Además, la característica tratada con calor puede necesitar un templado para reducir las tensiones en la característica. Normalmente la característica se trata primero con calor en una primera exploración con baja potencia y alta frecuencia fija para el tratamiento con calor a la profundidad de penetración requerida, y luego se calienta en una segunda exploración con una frecuencia fija baja para templar la característica. Un objetivo de la presente invención es variar la frecuencia de salida del inversor al tiempo que se ajusta el nivel de potencia de salida del inversor por modulación de anchura de impulsos, según se necesite para tratar con calor de manera inductiva y/o templar diversas características de una pieza de trabajo a diferentes profundidades de penetración en una exploración de inducción de la pieza de trabajo. Breve sumario de la invención La presente invención se define más ampliamente en las reivindicaciones 1 y 9, a las que ahora se debe hacer referencia. Características preferidas, pero opcionales, de la presente invención se especifican en las reivindicaciones dependientes, a las que se también se debería hacer referencia. 2   De este modo, en un aspecto, la presente invención es un aparato y un método para el suministro de energía de CA con frecuencia variable y un ciclo de trabajo a un inductor basándose en los requisitos de calentamiento de la parte de una pieza de trabajo que se mueve a través del inductor. Unos medios de detección de posición, tal como un servomotor, se pueden utilizar para proporcionar una entrada en un procesador que compara la posición instantánea introducida de la pieza de trabajo con una tabla almacenada de valores de posición de pieza de trabajo, cada uno de esos valores de posición de la pieza de trabajo puede estar relacionado con la frecuencia, nivel de potencia y duración en tiempo que corresponden a la energía térmica aplicada y necesaria en esa posición. En una realización de la invención, el procesador utiliza un algoritmo que genera una orden de modulación de anchura de impulso para los circuitos de entrada de conmutación de un inversor, de manera que una disminución de anchura de impulso del voltaje del inversor de impulsos tiene como resultado una potencia de salida inferior del inversor para compensar un aumento de la potencia de salida del inversor a frecuencias más bajas. Por el contrario, un aumento de la anchura de impulso del voltaje del inversor tiene como resultado una mayor potencia de salida del inversor para compensar una disminución de la potencia de salida por el inversor a mayores frecuencias. Breve descripción de los dibujos El breve sumario anterior, así como la siguiente descripción detallada de la invención, se entiende mejor cuando se lee conjuntamente con los dibujos adjuntos. Con la finalidad de ilustrar la invención, se muestra en los dibujos unos ejemplos de formas de la invención que se prefieren actualmente; sin embargo, la invención no se limita a las disposiciones específicas e instrumentos descritos en los siguientes dibujos adjuntos: La FIG. 1 es una vista esquemática simplificada de un ejemplo del aparato de calentamiento por inducción con exploración de la presente invención; La FIG. 2 es un esquema simplificado de un ejemplo de una fuente de alimentación y un circuito de carga utilizados con el aparato de calentamiento por inducción de exploración de la presente invención; La FIG. 3(a) y la FIG. 3(b) ilustran la aplicación de la modulación de anchura de impulsos para cambiar la salida del inversor de plena potencia a media potencia; La FIG. 4(a) ilustra el cambio de la magnitud de corriente de carga con un cambio de la salida de frecuencia de un inversor sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 4(b) ilustra el cambio de la magnitud de potencia de carga con un cambio de la salida de frecuencia de un inversor sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 4(c) ilustra el cambio de la magnitud de resistencia de carga con un cambio de la salida de frecuencia de un inversor sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 4(d) ilustra el cambio del factor Q del circuito de carga con un cambio de la salida de frecuencia de un inversor sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 5(a) ilustra la relación entre el voltaje de salida de un inversor y la corriente de carga con una frecuencia de salida del inversor de 3.000 Hercios y sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 5(b) ilustra la relación entre el voltaje de salida de un inversor y la corriente de carga con una frecuencia de salida del inversor de 10.000 Hercios y sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 5(c) ilustra la relación entre el voltaje de salida de un inversor y la corriente de carga con una frecuencia de salida del inversor de 30.000 Hercios y sin modulación de anchura de impulsos; La FIG. 6 ilustra la relación entre el voltaje de salida de un inversor... [Seguir leyendo]

1. Aparato para calentamiento por inducción de una pieza de trabajo (14), el aparato comprende: una fuente de alimentación (10) que tiene una salida de CA; un inductor (12) conectado a la salida de CA para generar un campo magnético de CA; unos medios (16, 20) para producir un movimiento relativo entre la pieza de trabajo y el inductor para acoplar magnéticamente por lo menos una parte seleccionada (14a, 14b, 14c) de la pieza de trabajo con el campo magnético; y unos medios para detectar por lo menos una posición relativa del inductor y la pieza de trabajo; caracterizado porque la salida de CA de la fuente de alimentación tiene un control de modulación de anchura de impulsos; y por unos medios (22) sensibles a los medios de detección de posición para ajustar de manera selectiva la frecuencia de la salida de CA a una frecuencia deseada de tratamiento con calor cuando cada una o varias de las partes seleccionadas de la pieza de trabajo se acopla con el campo magnético para el tratamiento con calor de inducción; y unos medios para ajustar de manera selectiva la potencia de la salida de CA mediante el cambio del ciclo de trabajo de la salida de CA de acuerdo con la frecuencia del tratamiento con calor. 2. Un aparato según la reivindicación 1, en el que los medios (16, 20) de producción de movimiento se disponen para mover la pieza de trabajo (14) a través del inductor (12). 3. Un aparato según la reivindicación 1, en el que los medios (16, 20) de producción de movimiento se disponen para mover el inductor (12) a lo largo de la pieza de trabajo (14). 4. Un aparato según la reivindicación 1, en el que los medios (16, 20) de producción de movimiento se disponen para mover simultáneamente la pieza de trabajo (14) a través del inductor (12) y el inductor a lo largo de la pieza de trabajo. 5. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, que incluye unos medios (22) para ajustar selectivamente el periodo de tiempo que cada una de las una o varias partes seleccionadas (14a, 14b, 14c) se acopla con el campo magnético para el tratamiento con calor de inducción. 6. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en el que los medios para ajustar selectivamente la frecuencia y la potencia de la salida de CA comprenden un procesador (22) que tiene una o varias señales de salida para el control de la frecuencia y voltaje de salida de la fuente de alimentación. 7. Un aparato según la reivindicación 6, en el que una o varias señales de salida comprenden una señal de salida para controlar los medios (16, 20) de producción de movimiento en respuesta a la frecuencia y ciclo de trabajo del tratamiento con calor. 8. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, que incluye un sensor para detectar la potencia real de la salida de CA y enviar la potencia real detectada a los medios para ajustar de manera selectiva la potencia de la salida de CA. 9. Un método para el tratamiento térmico por inducción eléctrica de una pieza de trabajo (14), el método comprende las etapas de colocar de manera secuencial la pieza de trabajo en una pluralidad de posiciones con relación a por lo menos un inductor (12); suministrar energía eléctrica al por lo menos un inductor para generar un campo magnético para acoplarse con la pieza de trabajo en la pluralidad de posiciones relativas; detectar la posición relativa del inductor (12) y la pieza de trabajo (14) para identificar por lo menos una parte de la pieza de trabajo actualmente acoplada con el campo magnético; caracterizada por: modular la anchura de impulsos, como respuesta a la posición relativa detectada del inductor (12) y la pieza de trabajo (14), de la potencia eléctrica suministrada mientras se ajusta la frecuencia de la potencia eléctrica para la parte identificada de la pieza de trabajo, y 8   ajustar la magnitud de la potencia eléctrica mediante el ajuste del ciclo de trabajo de la potencia eléctrica cuando se ajusta la frecuencia de la potencia eléctrica. 10. Un método según la reivindicación 9, en el que la pieza de trabajo (14) y el inductor (12) se colocan de manera secuencial mediante el movimiento de la pieza de trabajo a través del inductor. 11. Un método según la reivindicación 9, en el que la pieza de trabajo (14) y el inductor (12) se colocan de manera secuencial mediante el movimiento del inductor a lo largo de la pieza de trabajo. 12. Un método según la reivindicación 9, en el que la pieza de trabajo (14) y el inductor (12) se colocan de manera secuencial mediante el movimiento simultáneo de la pieza de trabajo a través del inductor y el inductor a lo largo de la pieza de trabajo. 13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, que incluye la etapa de ajustar el periodo de tiempo que la parte identificada (14a, 14b, 14c) de la pieza de trabajo (14) se acopla con el campo magnético. 14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, que incluye las etapas de ajustar la frecuencia de la potencia eléctrica para la parte identificada (14a, 14b, 14c) de la pieza de trabajo (14) a un valor de frecuencia almacenado en un dispositivo de memoria para la parte identificada, y ajustar el ciclo de trabajo de la potencia eléctrica necesaria para una magnitud de potencia eléctrica almacenada en un dispositivo de memoria para la parte identificada. 15. Un método según la reivindicación 14, que incluye la etapa de calcular el ciclo de trabajo de la potencia eléctrica mediante la división de la magnitud de potencia eléctrica almacenada en el dispositivo de memoria con un valor calculado para la potencia eléctrica con un ciclo de trabajo del 100 por cien. 16. Un método según la reivindicación 13, que incluye las etapas de: ajustar la frecuencia de la potencia eléctrica para la parte identificada (14a, 14b, 14c) de la pieza de trabajo (14) a un valor de frecuencia almacenado en un dispositivo de memoria para la parte identificada; ajustar el ciclo de trabajo de la potencia eléctrica necesaria para una magnitud de potencia eléctrica almacenada en un dispositivo de memoria para la parte identificada; y ajustar el periodo de tiempo que la parte identificada de la pieza de trabajo se acopla con el campo magnético con un valor de tiempo almacenado en un dispositivo de memoria para la parte identificada. 17. Un método según la reivindicación 16, que incluye la etapa de calcular el ciclo de trabajo de la potencia eléctrica mediante la división de la magnitud de potencia eléctrica almacenada en el dispositivo de memoria con un valor calculado para la potencia eléctrica con un ciclo de trabajo del 100 por cien. 18. Un método según la reivindicación 16, que incluye las etapas de: medir la magnitud real de la potencia eléctrica; comparar la magnitud real de la potencia eléctrica con la magnitud de la potencia eléctrica almacenada en el dispositivo de memoria; y ajustar además el ciclo de trabajo de la potencia eléctrica para eliminar cualquier diferencia entre la magnitud real de la potencia eléctrica y la magnitud de la potencia eléctrica guardada en el dispositivo de memoria. 19. Un método según la reivindicación 18, que incluye las etapas de: medir el periodo real de tiempo que la parte identificada de la pieza de trabajo se acopla con el campo magnético con el valor de tiempo almacenado en la memoria; y hacer avanzar la pieza de trabajo a otra de la pluralidad de posiciones relativas cuando el periodo de tiempo real es igual al valor de tiempo almacenado en la memoria. 20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 19, en el que las etapas de ajuste de la frecuencia y magnitud de la potencia eléctrica incluyen el aumento del ciclo de trabajo de la potencia eléctrica cuando la frecuencia disminuye y disminuir el ciclo de trabajo de la potencia de trabajo cuando la frecuencia aumenta. 9     L BOBINA SALIDA 11 R BOBINA   12   13   14     16   17