FI122466B

FI122466B - Menetelmä työstettävän metallikappaleen kuumentamiseksi ja induktiokuumennustyökalu

Info

Publication number: FI122466B
Application number: FI20095863A
Authority: FI
Inventors: Risto Salo; Pekka Suominen
Original assignee: Hollming Oy; Prizztech Oy
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2012-01-31
Also published as: CN102548705B; JP5774589B2; HK1172866A1; US20120205364A1; WO2011020952A1; CN102548705A; EP2467229A1; JP2013502680A; FI20095863A; EP2467229A4; FI20095863A0

Description

MENETELMÄ TYÖSTETTÄVÄN METALLIKAPPALEEN KUUMENTAMISEKSI JA INDUKTIOKUUMENNUSTYÖKALU

KEKSINNÖN ALA

5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto- osassa määritetty menetelmä sekä patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukainen induktiokuumennustyökalu.

KEKSINNÖN TAUSTA

10 Induktiokuumennus perustuu muuttuvaan magneettikent tään, joka indusoi kuumennettavaan kappaleeseen pyör-revirtoja, jotka puolestaan lämmittävät kappaletta. Perinteisesti muuttuva magneettikenttä saadaan aikaan kuumennettavaa kappaletta ympäröivällä sähkömagneetil-15 la, joka on kytketty sopivan taajuiseen vaihtovirta- lähteeseen .

Induktiokuumennukseen tarvittava muuttuva magneettikenttä voidaan kuitenkin saada aikaan myös mekaanisel-20 la liikkeellä, magneettikentän voimakkuuden ollessa muuttumaton. Tällöin muutetaan lähinnä magneettikent-tävektorin suuntaa, mutta ei voimakkuutta. Kun sopivaa kestomagneettirakennetta pyöritetään sähköä johtavan kappaleen lähellä, kappale "näkee" muuttuvan magneet-25 tikentän ja siihen indusoituu pyörrevirtoja, jotka >- kuumentavat kappaletta voimakkaasti.

δ c\i I , o Konepajateollisuudessa valmistetaan usein osia, jotka i ^ pitää lämpökäsitellä, kuten induktiokarkaista. Lämpö- 30 käsittelyä varten kappale irrotetaan työstökoneesta, CC ...

kuten jyrsimestä tai sorvista, ja lämpökäsittely suo- 2 ritetaan muualla. Tarvittavat induktiokuumennuslait- oo , . , .

teet ovat kuitenkin melko kalliita, joten yleensä läm-<y> r -> 1 o pökäsittelypalvelu ostetaan alihankkijalta eli käsi en 2 teltävä kappale pakataan ja kuljetetaan jopa pitkiäkin matkoja käsittelyä varten.

Useimmiten koko työstettävää kappaletta ei karkaista, 5 vaan vain osa siitä. Esimerkkinä mainittakoon hammasrattaat, joiden hampaat ja mahdollisesti vain niiden tietyt osapinnat karkaistaan. Karkaisu tapahtuu usein työstön tietyssä vaiheessa eli karkaisun jälkeen työstettävä kappale on uudelleen tarkasti asemoitava työs-10 tökoneeseen. Näin karkaisu aiheuttaa työstettävään kappaleeseen useita erillisiä työvaiheita, työstön keskeytyksiä ja odotusvaiheita, mitkä luonnollisesti lisäävät kappaleen valmistuskustannuksia ja valmistus-aikaa.

15

Tunnettua tekniikkaa keksinnön alalla on esitetty julkaisuissa JP 2002194426, DE 1170979 ja WO 2009126850.

KEKSINNÖN TARKOITUS

20 Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt tunnetun tekniikan epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen työstömenetelmä sekä menetelmässä käytettävä työkalu, joiden avulla karkaisu voidaan tehdä työstettävän kappaleen 25 työstön yhteydessä kappaletta työstökoneesta irrotta matta .

o KEKSINNÖN YHTEENVETO

CM

O

!- 30 Keksinnön kohteena on menetelmä työstettävän metalli- x kappaleen kuumentamiseksi, kuten esimerkiksi karkaise- ct miseksi. Keksinnön mukaisesti metallikappale kuumenne- 2 taan työstökoneessa kiinnittämällä siihen kestomag- oo ^ neettirakenteen käsittävä induktiokuumennustyökalu se- o 35 kä pyörittämällä ja/tai liikuttamalla kuumennettavaa

CM

metallikappaletta ja induktiokuumennustyökalua tois- 3 tensa suhteen sopivalla etäisyydellä. Tällöin kappaleeseen indusoituu sitä kuumentavia pyörrevirtoja niin, että kuumennukseen tarvittava energia saadaan pelkästään työstökoneen moottorista. Näin mitään eril-5 lisiä induktiokuumenninteholähteitä ei tarvita. Myös tehonsäätö on erittäin yksinkertaista keksinnön mukaisessa menetelmässä. Se tapahtuu vain pyörimisnopeutta tai toisten suhteen pyörivien tai liikkuvien kappaleiden keskinäistä etäisyyttä säätämällä.

10

Menetelmässä voidaan käyttää työstökoneena koneistus-keskusta tai avarruskonetta, jolloin induktiokuumen-nustyökalua pyöritetään työstökoneen kiinnityskarassa kappaleen kuumennettavan kohdan läheisyydessä. Myös 15 voidaan käyttää työstökoneena sorvia, jolloin ainakin kuumennettavaa kappaletta pyöritetään. Edelleen eräässä sovelluksessa työstökoneena käytetään jyrsin- tai porakonetta, jossa induktiokuumennustyökalua pyöritetään kiinnityskarassa kappaleen kuumennettavan kohdan 20 läheisyydessä.

Edullisesti keksinnössä kappaleen kuumentamiseen käytettävä teho mitataan työstökoneen moottorin pyöritys-tehosta vähennettynä moottorin tyhjäkäyntiteholla. 25 Näin erillistä lämmitystehon mittausta tai kappaleen saavuttaman lämpötilan mittausta ei tarvitse suorittaa, vaan pelkällä moottorin tehomittauksella halli-i- taan käsiteltävän kappaleen oikea ja tarkka kuumennus.

CM

O

*7 30 On jopa mahdollista, että erillistä kappaleen kuumen- ^ nustyövaihetta ei suoriteta, vaan metallikappale kuu- mennetaan samalla työstökoneella ja samalla työstöker-

CL

ralla sen lastuavan työstön kanssa, co

CD

00

LO

g 35 Edelleen keksinnön kohteena on induktiokuumennustyöka- ^ lu metallikappaleen tai sen osan kuumentamiseksi, ku ten karkaisemiseksi, työstökoneessa. Keksinnön mukai- 4 sesti työkaluun kuuluu kiinnityskara työkalun kiinnittämiseksi työstökoneeseen sekä kiinnityskaraan kiinnitetty kestomagneetti siten, että kappaleeseen indusoituvien ja sitä kuumentavien pyörrevirtojen energia 5 saadaan työstökoneen moottorista.

Edullisesti kestomagneetin yhteyteen kuuluu magneettista materiaalia oleva rakenne, joka on muotoiltu käsiteltävän kappaleen muotojen ja kuumennustehon opti-10 maalisen siirtymisen edellyttämällä tavalla. Tällöin ne on edullisesti muotoiltu ulkopinnoiltaan vastaamaan lämmitettävän pinnan muotoa magneettien muodon ollessa yksinkertaisia perusmuotoja. Magneettista materiaalia oleva rakenne on pääasiassa rautaa tai muuta sopivaa 15 metallia tai metalliseosta.

Metallikappaleen karkaisuun käytettävät lämpötilat ovat yleensä suuruusluokkaa 900°C. Toisaalta kestomag-neettimateriaalin magneettiset ominaisuudet eivät säi-20 ly yli 200°C lämpötiloissa. Tämän vuoksi edullisesti työkalun joko magneettiin tai rautaosiin tai molempiin on järjestetty sopivia jäähdyttäviä muotoja, kuten ripoja, siipiä tai vastaavia kanavia. Näiden avulla työkaluun tai sen ympärille saadaan johdetuksi sitä jääh-25 dyttäviä virtauksia, jotka voivat olla ilma-, kaasu- tai nestevirtauksia. Myös on mahdollista sovellus, jossa työkalun kestomagneettikappale on koteloitu hei-^ kosti lämpöä johtavan vaipan sisään. Vaippa on kuiten-

O

00 kin sellaista materiaalia, että se ei olennaisesti i '

O

Y 30 heikennä pyörivää magneettikenttää karkaistavassa kap- paleessa. Tällaisena materiaalina voi tulla kyseeseen x esimerkiksi sopivat keraamiset materiaalit.

CL

CO

g Keksinnön mukaisella kuumennusmenetelmällä ja työka-

LO

05 35 lulla saavutetaan merkittäviä etuja tunnettuun tek- o ^ nilkkaan verrattuna. Keksintö mahdollistaa työstettä vän metallikappaleen kuumentamisen, karkaisun tai muun 5 lämpökäsittelyn osittain tai kokonaisuudessaan yksinkertaisesti ja nopeasti kappaleen työstön yhteydessä. Myöskään erillistä energialähdettä ei kuumennukseen tarvita, koska sen tarvitsema energia saadaan työstö-5 koneen omasta pyörivästä moottorista. Näin keksinnön avulla saavutetaan merkittäviä säästöjä sekä laitekustannuksissa että käsittelyvaiheissa ja käsittelyajoissa .

10

KUVALUETTELO

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää erästä keksinnön mukaista työ- 15 kalua, kuva 2 esittää toista keksinnön mukaista työkalua, kuva 3 esittää kolmatta keksinnön mukaista työkalua, 20 kuva 4 esittää kuvan 2 työkalun käyttöä, kuva 5 esittää kaaviomaisesti työkalun magneettien lukumääriä, kuva 6 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön mukaista työkalua, 25 kuva 7 esittää kaaviomaisesti erästä toista keksinnön mukaista työkalua, kuva 8 esittää kaaviomaisesti tason lämmitys-^ tä keksinnön mukaisella työkalulla, o kuva 9 esittää kaaviomaisesti toista tason T- 30 lämmityssovellusta ja kuva 10 esittää magneettikentän ohjausta kek-cn srnnön mukaisessa työkalussa, co

CD

S KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

σ> o ^ 35 Kuvan 1 esittämään keksinnön mukaiseen työkaluun 1 kuuluu kiinnityskara 5, josta se on kiinnitettävissä 6 sitä käyttävään työkoneeseen, kuten jyrsimeen tai sorviin. Kara-akseliin on kiinnitetty lieriön muotoinen kestomagneetti 6.

5 Kuvan 2 vastaavassa sovelluksessa työkaluun 2 kuuluu kiinnityskaraan 5 kiinnitetyt kaksi pyöreää ja levymäistä magneettia 6 tai metallilevyä, jotka on varustettu magneeteilla. Levyt ovat sopivalla etäisyydellä toisistaan niin, että niiden väliin jää sopivan kokoi-10 nen kolo karkaistavaa metallikappaletta tai metalli-kappaleen karkaistavaa osaa varten.

Kuvassa 3 on kolmas sovellus, jossa työkaluun 3 kuuluu vain karaan 5 kiinnitetty yksi pyöreä magneettiset 15 ominaisuudet omaava levy 6. Kaikkia kolmea työkalua käytetään toisiaan vastaavalla tavalla eli pyörivä työkalu asetetaan mahdollisimman lähelle karkaistavaa tai muuten kuumennettavaa metallikappaletta kuitenkaan koskettamatta sitä. Näin pyörivä magneetti indusoi 20 kappaleeseen pyörrevirtoja, jotka kuumentavat kappaletta voimakkaasti. Magneetin pyörittämiseen käytetty energia saadaan sitä pyörittävän työkoneen moottorista ja se siirtyy lähes kokonaisuudessaan lämpönä metalli-kappaleeseen .

25

Kuva 4 esittää havainnollisesti kuvan 2 työkalun käyt- cm töä hammaspyörän 9 hampaan karkaisussa. Työkalussa 2 ® magneettiset kaksi pyöreää levyä ovat hampaan paksuu- i- den etäisyydellä toisistaan ja niiden sisäpintojen x 30 muoto on hammasta vastaavasti vähän kartiomainen niin, cc että työkalu voidaan asettaa vain vähäiselle tarkalle 2 etäisyydelle hampaan pinnasta. Pyörittämällä työkalua oo g ja liikuttamalla sitä hampaan pituussuunnassa sen reu- o nasta toiseen saadaan hammas kuumennetuksi helposti ja C\l 35 nopeasti haluttuun karkaisulämpötilaan. Hammasrattaan 7 karkaisu voidaan näin suorittaa yhdellä kappaleen kiinnityksellä sen koneistusvaiheen yhteydessä. Edelleen lämmitystehoa voidaan helposti säätää muuttamalla magneetin pyörimisnopeutta tai magneetin ja käsiteltä-5 vän kappaleen etäisyyttä.

Kuten kuvan 5 kaaviollisista esityksistä huomataan, voidaan työkaluissa käyttää yhtä tai useampaa kesto-magneettia siten, että työkalun pyöriessä sen ulkopuo-10 lella paikallaan oleva kuumennettava kappale näkee muuttuvan magneettikentän.

Kuvat 6 ja 7 esittävät keksinnön mukaisia työkaluja, jotka osoittavat että kestomagneetit voivat olla mag-15 netoituja mihin suuntaan tahansa siten, että työkalun ulkopuolelle muodostuu voimakas magneettikenttä. Kuvassa 6 työkalussa on pyöreän levyn 4 tasopintaan aivan ulkoreunaan sijoitettu magneetit 8 eli magnetoin-tisuunta on työkalun akselin suuntainen. Kuvassa 7 20 magneetit 9 on sijoitettu pyöreän levyn 7 ulkoreunaan eli sen kehälle siten, että magnetointisuunta on työkalun säteen suuntainen. Kuvan 7 alempaan kuvaan on myös piirretty vaihtoehtoinen sovellus, jossa kesto-magneetit on koteloitu heikosti lämpöä johtavan keraa-25 misen vaipan 17 sisään. Vaippa estää magneettien lii-allisen lämpiämisen kuitenkaan vaikuttamatta oleelli-o sesti järjestelmän magneettisiin ominaisuuksiin.

ό ^ Kuva 8 esittää keksinnön mukaista työkalusovellusta g 30 tasomaisen kappaleen kuumentamiseksi jyrsinkoneessa.

CL

Työkaluun kuuluu kuumennettavan tason 10 suunnassa co £§ pyöritettävä kara 11, jossa on poikittainen, pyöreä ja

LO

g levymäinen runkokappale 12, jonka ulkokehällä on mag- ^ neetteja 13. Mitä lähempänä tasoa, kuitenkin sitä kos- 8 kettamatta, työkalua pyöritetään, sitä voimakkaammin tasoon indusoituu sitä kuumentavia pyörrevirtoja.

Kuva 9 esittää kuvaa 8 vastaavaa sovellusta, jossa 5 työkalun akseli on viistossa eli 45° kulmassa lämmitettävään tasoon nähden.

Kuva 10 esittää käyttökelpoisia keksinnön sovelluksia erityisesti silloin, kun karkaistaan tai kuumennetaan 10 monimuotoisia kappaleita tai kappaleiden osia. Kuvan sovelluksissa kuumennettava kappale 14 on kiinnitettynä sorviin ja kappaletta pyöritetään sorvin moottorilla työkalun pysyessä paikallaan. Työkalu voi sisältää yhden tai useampia kestomagneetteja 15. Magneettikent-15 tää muotoillaan ja ohjataan magneetin tai magneettien ympärille tai keskelle sijoitetuilla rautaa tai muuta vastaavaa materiaalia olevilla levyillä tai kappaleilla 16. Näillä kappaleilla pyörivä magneettikenttä voidaan ohjata mahdollisimman lähelle käsiteltävää kappa-20 letta tai sen osaa, jolloin itse magneetteja ei jouduta muotoilemaan.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä esimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mah-25 dollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän ^ keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

CM

O

X

D.

CO

CD

CO

tn O) o o

CM

Claims

1. Menetelmä työstettävän metallikappaleen kuumentamiseksi induktiokuumennustyökalulla työstökoneessa pyörittämällä ja/tai liikuttamalla kuumennetta- 5 vaa metallikappaletta ja induktiokuumennustyökalua toistensa suhteen sopivalla etäisyydellä, tunnettu siitä, että kuumennus tehdään kiinnittämällä työstökoneeseen kestomagneettirakenteen käsittävä induktiokuu-mennustyökalu (1,2,3), jolloin kappaleeseen indusoituu 10 sitä kuumentavia pyörrevirtoja niin, että kuumennuk seen tarvittava energia saadaan työstökoneen moottorista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että työstökoneena käytetään ko- 15 neistuskeskusta tai avarruskonetta, jolloin induk tiokuumennustyökalua (1,2,3) pyöritetään työstökoneen kiinnityskarassa kappaleen kuumennettavan kohdan läheisyydessä .

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että työstökoneena käytetään sorvia, jolloin ainakin kuumennettavaa kappaletta pyöritetään .

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että työstökoneena käytetään jyr- 25 sin- tai porakonetta, jossa induktiokuumennustyökalua pyöritetään kiinnityskarassa kappaleen kuumennettavan kohdan läheisyydessä.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai- (M ^ nen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaleen kuu- 1 30 mentamiseen käytettävä teho mitataan työstökoneen moottorin pyöritystehosta vähennettynä moottorin tyh-£ jäkäyntiteholla.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukaile nen menetelmä, tunnettu siitä, että metallikappale o 35 kuumennetaan samalla työstökoneella ja samalla työstö- ^ kerralla sen lastuavan työstön kanssa.

7. Induktiokuumennustyökalu metallikappaleen tai sen osan kuumentamiseksi työstökoneessa, johon työkaluun (1,2,3) kuuluu kiinnityskara (5) työkalun kiinnittämiseksi työstökoneeseen, tunnettu siitä, 5 että kiinnityskaraan on kiinnitetty kestomagneetti (6) siten, että kappaleeseen indusoituvien ja sitä kuumentavien pyörrevirtojen energia saadaan työstökoneen moottorista.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen työkalu, 10 tunnettu siitä, että kestomagneetin yhteyteen kuuluu magneettista materiaalia oleva rakenne (16), joka on muotoiltu käsiteltävän kappaleen muotojen ja kuu-mennustehon optimaalisen siirtymisen edellyttämällä tavalla.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että magneettista materiaalia oleva rakenne on rautaa.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 7-9 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että työkaluun kuuluu 20 muotoja, ripoja, siipiä tai vastaavia kanavia työkalun jäähdyttämiseksi ilma-, kaasu- tai nestevirtauksella.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 7-10 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että työkalun kes-tomagneettikappale on ainakin osittain koteloitu hei- 25 kosti lämpöä johtavan vaipan sisään. δ CM O X cc CL CO CD 00 LO 05 O O CM