Tratamiento térmico por inducción de piezas de trabajo con forma compleja.

Un inductor para calentar al menos un componente sustancialmente cilíndrico de una pieza de trabajo de metal,

el componente sustancialmente cilíndrico unido en al menos un lado a un componente con forma irregular, un filete formado entre el componente con forma irregular y el componente sustancialmente cilíndrico, el inductor formado a partir de un primer segmento inductor (17) y un segundo segmento inductor (109), teniendo el primer y segundo segmentos del inductor medios para acoplar magnéticamente al segundo segmento inductor una corriente alterna de alta frecuencia suministrada al primer segmento inductor (17), una abertura sustancialmente cerrada formada parcialmente en el primer segmento inductor (17) y parcialmente en el segundo segmento inductor (109) para la colocación del componente sustancialmente cilíndrico para calentar mediante la aplicación de un campo magnético al componente, el campo magnético generado por el primer y segundo segmentos del inductor en respuesta a la excitación por la corriente alterna de alta frecuencia, comprendiendo además el primer segmento inductor (17) formado a partir de un material sólido eléctricamente conductor, el primer segmento inductor:

una primera superficie enfrentada; y

una primera abertura pasante (117a) que forma un primer segmento de bobina (17a) y un segundo segmento de bobina (17b) dispuestos en lados opuestos de la primera abertura pasante (117a); el segundo segmento inductor (109) formado a partir de un material sólido eléctricamente conductor, comprendiendo además el segundo segmento inductor (109):

una segunda superficie enfrentada (115b), la segunda superficie enfrentada (115b) dispuesta sustancialmente adyacente a y eléctricamente aislada de la primera superficie enfrentada; y

una segunda abertura pasante (117b) que forma un tercer segmento de bobina (109a) y un cuarto segmento de bobina (109b) dispuestos en lados opuestos de las segunda abertura pasante (117b); caracterizada por:

al menos una ranura de restricción de corriente activa en sección transversal (14) dispuesta en el primer segmento de bobina (17a) y el segundo segmento de bobina (17b) para formar al menos dos bobinas paralelas en el primer segmento inductor (17), dividiendo al menos una ranura de restricción de corriente activa en sección transversal (14) cada uno del primer y segundo segmentos de bobina (17a, 17b) en un primer y segundo par de subsegmentos de bobina, una primera abertura parcial (21a) en cualquiera del primer o segundo par de subsegmentos de bobina comprendiendo el primer o segundo segmento de bobina (17a, 17b), teniendo la primera abertura parcial una superficie de bobina arqueada dividida por un orificio (31) en al menos uno del par de subsegmentos de bobina que 30 forman la primera abertura parcial (21a, 22b), dividiendo el orificio (31) la superficie de bobina arqueada en un primer par de rebordes de bobina (23a, 23b), el primer par de rebordes de bobina que forma una región de interfaz con la primera superficie enfrentada contigua en la que el primer par de rebordes de bobina están perfilados para compensar selectivamente la masa irregular del componente con forma irregular, una abertura en la superficie del componente sustancialmente cilíndrico, o el calentamiento selectivo del filete; y 35 una segunda abertura parcial (122a) en cualquiera del tercer o cuarto segmento de bobina (109a, 109b), teniendo la segunda abertura parcial (121a, 121b) una superficie de bobina arqueada dividida por un orificio, dividiendo el orificio la superficie de bobina arqueada en un segundo par de rebordes de bobina, formando el segundo par de rebordes de bobina una región de interfaz con la segunda superficie enfrentada contigua (115b) en la que el segundo par de rebordes de bobina están perfilados para compensar selectivamente la masa irregular o el componente con forma 40 irregular, una abertura en la superficie del componente sustancialmente cilíndrico, o el calentamiento selectivo del filete, formando la primera y segunda aberturas parciales (21a, 122a) la abertura sustancialmente cerrada.

Tratamiento térmico por inducción de piezas de trabajo con forma compleja Referencia cruzada con la solicitud relacionada La presente solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional Estadounidense No. 60/447, 615 presentada el 14 de febrero de 2003

Campo de la invención La presente invención en general se refiere a bobinas inductoras que son utilizadas para el tratamiento térmico de piezas de trabajo con forma compleja.

Antecedentes de la invención La Patente Estadounidense No. 6.274.857 (la patente 857) describe un método de tratamiento térmico por inducción de una pieza de trabajo con forma irregular, tal como un cigüeñal. La patente 857 describe el uso de un par de segmentos de bobina de acoplamiento, uno en un circuito eléctrico activo y uno en un circuito eléctrico pasivo, para endurecer por inducción los componentes de la pieza de trabajo, tal como un perno o tubo del cigüeñal. La Fig. 1 es una ilustración esquemática de una configuración para llevar a cabo el endurecimiento por inducción como se enseña en la patente 857. En la figura, la corriente alterna Ia fluye a través del primer segmento inductor 107 como se ilustra en la dirección de las flechas (corriente alterna instantánea) . Las líneas que ilustran esquemáticamente el primer segmento inductor 107 están conectadas a una fuente de alimentación de corriente alterna adecuada, haciendo que el primer segmento inductor sea un circuito eléctrico activo formado a partir de un segmento inductor de espira simple. Los segmentos de bobina 107a y 107b se proporcionan en el primer segmento inductor 107. La corriente Ia, crea un campo de flujo magnético alrededor del segmento de bobina inductor activo, Los segmentos de bobina 109a y 109 B se proporcionan en el segundo segmento inductor 109, que es un circuito eléctrico pasivo formado a partir de un segmento de bobina inductor de espira simple. Los segmentos concentradores de flujo magnético 103a y 103b forman un concentrador de flujo magnético que acopla el flujo magnético que rodea el segmento inductor activo al segmento inductor pasivo e induce corriente alterna Ib en el segundo segmento inductor 109 como se ilustra en la dirección de las flechas (corriente alterna instantánea) .

La Fig. 2 (a) y la Fig. 2 (b) respectivamente ilustran un ejemplo de un (primer) segmento inductor activo 107 de la técnica anterior y (segundo) segmento inductor pasivo 109 que pueden utilizarse para darse cuenta de los circuitos esquemáticos en la Fig. 1. En la Fig. 2 (a) las regiones de terminación de potencia 122a y 122b proporcionan un medio para conectar el segmento inductor activo a un fuente de alimentación de corriente alterna de alta frecuencia adecuada. El material dieléctrico 411 se puede utilizar para proporcionar suficiente aislamiento eléctrico entre las dos regiones. En la Fig. 2 (a) y la Fig. 2 (b) las aberturas internas pasantes 117a y 117b, respectivamente, dividen el primer y segundo segmentos del inductor, respectivamente, en dos segmentos de bobina. Cada uno de estos segmentos de bobina tiene una abertura parcial, tal como las aberturas 121a y 121b en los segmentos de bobina 107a y 107b, respectivamente. Cada segmento de bobina alrededor de su abertura puede diseñarse con rebordes de bobina interno y externo separados por un orificio de enfriamiento, tal como los rebordes de bobina interno y externo123b y 123a, respectivamente, entre el orificio de enfriamiento 131 en el segmento de bobina 107a. La Fig. 2 (c) ilustra los segmentos inductores activo y pasivo de la técnica anterior 107 y 109, respectivamente, posicionados apropiadamente para el tratamiento térmico por inducción de dos componentes de una pieza de trabajo, cada uno de los cuales es colocado dentro de la abertura formada alrededor de un par de segmentos de bobina, a saber el primer par de segmentos de bobina 107a y 109a (aberturas 121a y 122a) , y segundo par de segmentos de bobina 107b y 109b. Los concentradores de flujo magnético 103a y 103b se colocan alrededor del concentrador de flujo magnético que acopla las regiones 119a y 119b del primer y segundo segmentos del inductor, respectivamente. El material dieléctrico 410 separa las superficies enfrentadas con la bobina 115a y 115b del primer y segundo segmentos inductores, respectivamente. Dependiendo del componente de la pieza de trabajo que está siendo tratado térmicamente por inducción en una abertura particular formada alrededor de un par de segmentos de bobina, las aberturas pasantes 117a y 117b también pueden servir como sitios (residencia) para un componente de la pieza de trabajo no tratado que se une a una o dos componentes de la pieza de trabajo.

Con acoplamiento magnético eficaz, la magnitud de la corriente inducida Ib en el segmento inductor pasivo será aproximadamente igual en magnitud a, y 180 grados eléctricos fuera de fase con, la corriente Ia activa en el segmento inductor activo. Las magnitudes aproximadamente iguales de las corrientes Ia y Ib no asegura densidades de corriente iguales a través del ancho de un segmento de bobina. Las densidades de corriente en sección transversal iguales en los circuitos pasivos y activos enfrentados a los segmentos de bobina es esencial para el calentamiento por inducción uniforme del componente de una pieza de trabajo colocado dentro de una abertura formada por un par opuesto de segmentos de bobina. La falta de uniformidad del material eléctricamente conductor del que está fabricado un segmento inductor, o la desviación de la exacta relación de plano paralelo entre las superficies enfrentadas de un par de segmentos inductores, puede dar lugar a densidades de corriente no uniforme a lo ancho de la sección transversal del segmento inductor. La Fig. 3 (a) y la Fig. 3 (b) son vistas en sección transversal parciales del primer y segundo segmentos inductores opuestos, en la línea A -A de la Fig. 2 (c) . La Fig. 3

(a) ilustra un típico par de segmentos inductores opuestos 107 y 109 con densidades de corriente en sección transversal uniformes ideales (región de puntos) para las corrientes la y Ib. La Fig. 3 (b) ilustra una situación más realista en la que las superficies enfrentadas a la bobina opuestas 115a y 115b no son paralelas entre sí, y ambas densidades de corriente en sección transversal para las corrientes Ia y Ib son no uniformes. En este ejemplo, la superficie enfrentada a la bobina 115b del segmento inductor 109 no es paralela con la superficie enfrentada a la bobina 115a del segmento inductor opuesto 107. En consecuencia, debido al fenómeno electromagnético conocido como el efecto de proximidad, la densidad de corriente Ib inducida es mayor en la región en sección transversal con un espacio de aire más pequeño, que a su vez dará lugar a una densidad de re-distribución de corriente de la corriente activa Ia.

La uniformidad de las densidades de corriente en los segmentos de bobina activo y pasivo opuestos puede ser afectada por la presencia de masas conductoras de electricidad en la pieza de trabajo con forma compleja que se encuentra adyacente al componente de la pieza de trabajo que es tratado térmicamente por inducción en una abertura entre una par de segmentos de bobina. La Fig. 4 ilustra un componente de pieza de trabajo 207 ubicado entre un par de segmentos de bobina opuestos 107a y 109a, formados a partir de rebordes de bobina 107a' y 107a", y rebordes de bobina 109a' y 109a", respectivamente. El componente de la pieza de trabajo 207, que será tratado térmicamente por inducción, se une a componentes de la pieza de trabajo contiguos delimitantes 206 y 208, los cuales no serán tratados térmicamente por inducción. Si la pieza de trabajo es un cigüeñal, a continuación, el componente 207 puede ser un pasador o tubo principal (con o sin un paso de aceite en el mismo) , y los componentes de la pieza de trabajo contiguos delimitantes representan contrapesos no simétricos en el cigüeñal.

Como se describe en la patente 857, se pueden proporcionar dos o más idénticos números de espiras tanto para los segmentos inductores pasivos como activos. Sin embargo los circuitos de inductores de múltiples espiras activos y pasivos requieren voltajes de operación mayores que aquellos para una disposición de espira simple equivalente. Los voltajes de operación más altos presentan el potencial de formación de arcos entre conductores de circuito adyacentes con un pequeño espacio de aire que reduce la fiabilidad y capacidad de mantenimiento.

Por lo tanto, un objeto de la presente invención son los segmentos inductores que minimicen la distribución no uniforme de la densidad de corriente a través del inductor para lograr el tratamiento térmico por inducción uniforme de un componente de pieza de trabajo de una pieza de trabajo con forma compleja.

Breve compendio de la invención... [Seguir leyendo]

1. Un inductor para calentar al menos un componente sustancialmente cilíndrico de una pieza de trabajo de metal, el componente sustancialmente cilíndrico unido en al menos un lado a un componente con forma irregular, un filete formado entre el componente con forma irregular y el componente sustancialmente cilíndrico, el inductor formado a partir de un primer segmento inductor (17) y un segundo segmento inductor (109) , teniendo el primer y segundo segmentos del inductor medios para acoplar magnéticamente al segundo segmento inductor una corriente alterna de alta frecuencia suministrada al primer segmento inductor (17) , una abertura sustancialmente cerrada formada parcialmente en el primer segmento inductor (17) y parcialmente en el segundo segmento inductor (109) para la colocación del componente sustancialmente cilíndrico para calentar mediante la aplicación de un campo magnético al componente, el campo magnético generado por el primer y segundo segmentos del inductor en respuesta a la excitación por la corriente alterna de alta frecuencia, comprendiendo además el primer segmento inductor (17) formado a partir de un material sólido eléctricamente conductor, el primer segmento inductor:

una primera superficie enfrentada; y una primera abertura pasante (117a) que forma un primer segmento de bobina (17a) y un segundo segmento de bobina (17b) dispuestos en lados opuestos de la primera abertura pasante (117a) ; el segundo segmento inductor (109) formado a partir de un material sólido eléctricamente conductor, comprendiendo además el segundo segmento inductor (109) :

una segunda superficie enfrentada (115b) , la segunda superficie enfrentada (115b) dispuesta sustancialmente adyacente a y eléctricamente aislada de la primera superficie enfrentada; y una segunda abertura pasante (117b) que forma un tercer segmento de bobina (109a) y un cuarto segmento de bobina (109b) dispuestos en lados opuestos de las segunda abertura pasante (117b) ; caracterizada por:

al menos una ranura de restricción de corriente activa en sección transversal (14) dispuesta en el primer segmento de bobina (17a) y el segundo segmento de bobina (17b) para formar al menos dos bobinas paralelas en el primer segmento inductor (17) , dividiendo al menos una ranura de restricción de corriente activa en sección transversal (14) cada uno del primer y segundo segmentos de bobina (17a, 17b) en un primer y segundo par de subsegmentos de bobina, una primera abertura parcial (21a) en cualquiera del primer o segundo par de subsegmentos de bobina comprendiendo el primer o segundo segmento de bobina (17a, 17b) , teniendo la primera abertura parcial una superficie de bobina arqueada dividida por un orificio (31) en al menos uno del par de subsegmentos de bobina que forman la primera abertura parcial (21a, 22b) , dividiendo el orificio (31) la superficie de bobina arqueada en un primer par de rebordes de bobina (23a, 23b) , el primer par de rebordes de bobina que forma una región de interfaz con la primera superficie enfrentada contigua en la que el primer par de rebordes de bobina están perfilados para compensar selectivamente la masa irregular del componente con forma irregular, una abertura en la superficie del componente sustancialmente cilíndrico, o el calentamiento selectivo del filete; y una segunda abertura parcial (122a) en cualquiera del tercer o cuarto segmento de bobina (109a, 109b) , teniendo la segunda abertura parcial (121a, 121b) una superficie de bobina arqueada dividida por un orificio, dividiendo el orificio la superficie de bobina arqueada en un segundo par de rebordes de bobina, formando el segundo par de rebordes de bobina una región de interfaz con la segunda superficie enfrentada contigua (115b) en la que el segundo par de rebordes de bobina están perfilados para compensar selectivamente la masa irregular o el componente con forma irregular, una abertura en la superficie del componente sustancialmente cilíndrico, o el calentamiento selectivo del filete, formando la primera y segunda aberturas parciales (21a, 122a) la abertura sustancialmente cerrada.

2. Un inductor de acuerdo a la reivindicación 1, que tiene al menos una ranura de restricción de corriente en sección transversal pasiva (15) dispuesta en el tercer segmento de bobina (109a) y el cuarto segmento de bobina (109b) para formar al menos dos bobinas en serie en el segundo segmento inductor (109) , dividiendo al menos una ranura de restricción de corriente en sección transversal pasiva (30) cada uno del tercer y cuarto segmentos de bobina (109a, 109b) en un tercer y cuarto par de subsegmentos de bobina, la segunda abertura parcial (122a) dispuesta al menos en uno del tercer y cuarto par de los subsegmentos de bobina.

3. Un inductor de acuerdo a la reivindicación 2, en el que el número de al menos una de las ranuras de restricción de corriente activas en sección transversal (14) es igual al número de al menos una de las ranuras de restricción de corriente en sección transversal pasivas (15) y cada una de al menos una de las ranuras de restricción de corriente activas en sección transversal (14) está alineada en forma opuesta desde cada uno de al menos una ranura de restricción de corriente en sección transversal pasiva (30) .

4. Un inductor de acuerdo a la reivindicación 2 o 3, en el que los anchos de todas las al menos una de las ranuras de restricción de corriente en sección transversal activa y pasiva (14, 15) son iguales.

5. Un inductor de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que al menos una de las ranuras de restricción de corriente activas en sección transversal comprende una ranura de restricción de

corriente activa en sección transversal (14) y al menos una ranura de restricción de corriente en sección transversal comprende una ranura de restricción de corriente en sección transversal pasiva (15) , y una de las ranuras de restricción de corriente en sección transversal activa y pasiva son suficientemente anchas para dirigir el campo magnético hacia el filete de manera que solamente el filete sea calentado sustancialmente en forma inductiva.

6. Un inductor de acuerdo a la reivindicación 5, en el que un concentrador de flujo está dispuesto dentro de cada una de las ranuras de restricción de corriente activa y pasiva (14, 15) para dirigir además el campo magnético hacia el filete.

7. Un inductor de acuerdo a la reivindicación 1, que tiene al menos una ranura de restricción de corriente en sección transversal pasiva (30) dispuesta dentro del segundo segmento inductor (109) para formar al menos dos bobinas eléctricamente aisladas (32, 33) en el segundo segmento inductor, dividiendo al menos una ranura de restricción de corriente pasiva en sección transversal (30) cada uno del tercer y cuarto segmentos de bobina (109a, 109b) en un tercer y cuarto par de subsegmentos de bobina, la segunda abertura parcial (122a) dispuesta al menos en uno del tercer y cuarto par de subsegmentos de bobina.