TW200938008A - Method for induction heating of a metallic workpiece - Google Patents

Description

200938008 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於藉由將一金屬工件相對於一穿透該工件之 磁場來移動且尤其係轉動以感應加熱該工件至一期望溫度 之方法。 【先前技術】 金屬工件’尤其係處於長條、鑄塊、鋼條或塊鋼、或桿 狀之形式的金屬工件可在利用至少單線圈激發之磁場中加 e

熱，線圈之繞組攜帶交流電或者直流電。在第一情況中， 工件通常靜止在交流電流磁場中，但其亦可接受相對於此 之平移運動或者旋轉運動。在後者的情況中，即當激發直 流磁場時，在磁場與工件之間之平移及/或旋轉之相對運 動係必需的。 已知用於在直流磁場中工件之感應加熱的此類型方法， 例如，自 WO 2004 / 066681 A1&DE 10 2〇〇5 〇61 67〇 A1 中 獲知。 用於運動中的工件之感應加熱的已知方法之一個基本 難包括以充分可重現之精確性確定卫件之隨時間變化 上升溫度’以便在獲得指^之期望溫度時終止加熱處理 雖然直接接觸測量’例如利用熱電偶，可產生非常準確. 測量值，但其幾半县π a & a 實現的’因為其僅可在工件靜 時執行。間接接觸、、目，丨I , ' m ：βι, Θ “ ，例如工件材料之隨溫度而變的1 阻測罝，可在運動φ _，1 '牛上執行，但該測量要求滑動才 觸，其不僅易受磨損，且 由於工件表面上之氧化層及矛 I34002.doc 200938008 垢，導致非常不精確之測量結果。此缺點亦存在於自抓 3〇 33 482 A1獲知之用㈣由滾筒直接之測量，測量感應 加熱滾筒之溫度的方法中。 雖然非接靠測量，即該等由高溫測量法執行之非接觸 性測量，可以大體上簡易之方式執行，但其不能產生足夠 精確並且可重現之測量結果，因為其係基於利用校正因子 轉換至對應之黑體溫度之IR輕射的測量得到的計算值。然 而，代表與黑體相關使用之材料的放射率的校正因子絲 決於材料以及卫件表面之狀況。表面之狀況係隨溫度而顯 著得變化，特別係由於氧化物或積垢形成。因&，放射率 可在室溫與期望溫度之間顯著變化以增加及減少。例如， 使用銅，由於黑銅氧化物的形成，放射率從在室溫下之約 0.3增加至在60(TC下之約〇·7。另—方面，使用在呂，由於白 色氧化鋁的形成，放射率隨著溫度的增加下降。除此之 外’特殊之擠壓塊在熱處理之前可具有力與塊之間已不同 參 之表面狀況。因此，在多數情況中，即使工件之實際溫度 的高溫測量亦是不夠精確的，並且在工件與工件之間不產 生可重現的值。 本發明係基於目的：提供-種方法，使藉由感應，以足 夠並且可重現的精確度加熱金屬工件至期望之溫度成為可 能。 【發明内容】 在用於藉由將工件相對於穿透工件之直流磁場旋轉，感 應加熱金屬工件至期望值溫度的方法中，完成此目的係由 134002.doc 200938008 於：在兩適合於圍繞共同軸旋轉之夾爪之間夾緊工件，至 少驅動一個夾爪旋轉，夾爪中之至少一個係適合沿著旋轉 轴主動移位或與旋轉軸平行主動移位，調節至少_個爽爪 之接觸力，以及至少一個代表工件溫度之機械參數係測量 為實際值’並且與此代表期望溫度之機械參數的期望值比 較。 在正常情況中，當實際值達到期望值時，停止感應加 熱。

較佳地，代表性機械參數之實際值係測量為比例電子信 號，或轉換為此類型之電子信號’其量值係 ; 望值之電子信號的量值比較。 應』 可連續測量並儲存實際 例如，作為憑證資料之目的 值。 較佳地，代表該期望溫度的該期望值係在根據以該相f 方法予以感應加熱之類似類型之一參考工件上以其溫心 ^ 被決定之該機械參數之對應的實際值所決定，並且 該期望溫度時所測量的該機械參數之值係經處理作為一月 於所有類似工件之期望值。 · 單使用卫件之熱膨脹作為代表性機械參數。 觸或接觸之方式影響。 量此熱膨脹。此可受非接 因為熱膨脹係與處於初始 始值成比例，在長形工件二之;;件之測量尺寸的初 其較短軸測量相比，沿其較長=條或棒’與沿 种邓量其熱膨脹係伴隨較 134002.doc 200938008 少之測量影響 量0 ，諸如在圓筒形工件之情 況下’直徑的測

當使用不良導熱性之夾爪時，確保工件之期望溫度之大 體上各向異性的均勻性。 當期望之溫度係處於-溫度範圍内，在其中，依靠施加 於表面之麼力，工件之材料開始漸漸塑性變形，依靠溫度 降接觸力調整至對應表面M力之值，表面M力係小於工件 開始塑性變形之隨溫度而變的表面壓力。因此，確保在夾 爪之間的間隔隨卫件之溫度的上升按比例增大，只要膨服 係數不考慮溫度而保持恒定。此適合於大多數工件，具有 足夠的精確度。 寺疋而σ，§夾爪之接觸力係以液壓方式產生並且接觸 力之值係根據液壓壓力的值確定時，若必要，可藉由降低 液壓壓力而非常簡單地降低接觸力的值。 例二藉由該等可旋轉夾爪之—者所造成之該等夾爪之接 觸力可亦使用線性電動機、主軸驅動器或齒條-齒輪驅動 器來予以設定或調節。 作為代表性機械參數’亦可使用提供至工件之機械功代 替熱膨脹》 因為在可旋轉驅動之工件的情況中，除了其他因子，機 械力取决於傳輸扭矩’連續測量至少被傳輸到工件之扭矩 係方便的。 、_疋之旋轉數’機械功接著可由此旋轉數、 矩以及時間所計算出來。 '34002.doc 測量之扭 200938008 若在另-方面，工件在加熱時係以不同的旋轉數被旋轉 驅動，機械功係根據此隨時間變化之旋轉數以及隨時間變 化的扭矩之時間積分而計算出來。可由電動機特性之變頻 器的有效功率或有效電流計算扭矩。連續的轉矩測量之此 方法及其他為熟習此技術的人所熟知。 通常’與根據機械功決定之溫度相比，根據熱膨服決定 的溫度係伴隨較少之誤差。因此較佳地可僅使用根據機械 功所決定之溫度來用於根據熱膨脹所決定之工件溫度的真 實性檢查。 ' 提出之方法由程序控制便利地執行。&此，特別係參考 值（雖然盡力測量，但精密度係基於參考工件），以及測量 工件得到之機械參數之實際值可連續地料在程序控制器 中，其在感應加熱期間，將測量工件得到之實忾 之參考值比較並且發射代表實際溫度之信號。根據此可: 為類比值或數位值顯示之信號，例如在屏幕上顯示，操作 人員可讀取工件之經計算得到之實際溫度。然而，特定而 言’在實際溫度到達期望之溫度的同時，可使用 終止加熱操作。 本方法之另-發展係包括不同尺寸之卫件及/或不同材 料之工件的參考值係在單獨資料财儲存。對於尺 及/或不同材料之工件(在後者情況中，通常亦必須以 之期望溫度加熱)，在此情況中程序控制係經限制以不！ 係藉由手動或藉由完全程序控制系統而自動地從藉由心 分級程序控制器所傳輸之工件及/或材料資料來接通二 I34002.doc 200938008 之：關資料檔以及該期望溫度。 ，

右作為選擇，或链L 參數，則至少受熱之工件之=功用作代表工件溫度之 並且程式化該程序控制器，=:可輸入程序控制器 ., 以使其根據給定程式至少控制 夾爪之接觸力、工件之祐絲& 朴之％轉數以及與時間相關之感應。 右經過加熱之工件不9 +疋立即接受另外處理，則在工件之 期望溫度到達時，至少 ^ 件之旋轉數可下降至大致補償熱

輻射及熱傳導之損失的值。 作為選擇’或此外，可田知n & 了因相同的目的下降磁感應。 可利用至少-超導線圈產生直流磁場。 以下’將以實例之方式，藉由圖式圖解根據本發明之方 法。藉由圖式顧示：。 【實施方式】 在圖1中’兩彼此間隔開之托架2a、2b係配置在機床 上。此等托架之至少一者係適合於利用未描繪之驅動方法 沿雙向箭頭P1的方向矛多動。托架2a、2b分別承载電動機3& 及3b。電動機3a或3b分別驅動夾爪4&或41>。夾爪4a、4b之 至少一者係適合於利用液壓裝置5a、5b，根據雙向箭頭^ 相對於對應之電動機3a、3b移動。呈圓筒形棒6之形狀的 工件係在夾爪之間夾緊。棒6係由磁場穿透，磁場由箭頭B 表示’並且係由未圖示之攜帶直流電之線圈所產生。 托架2a及2b分別承載路徑測量感應器7a&7b。此等路徑 測量感應器藉由分別掃描標明之線性測量刻度83或8b，測 量個別之托架相對於機床1之位置，並且因此測量在夾爪 134002.doc 200938008 4a、4b之間之棒6之隨溫度變化之長度。代替圖解之路徑 測量感應器7a或7b，亦可使用任何其他以足夠精度操作之 路徑或距離測量手段。特定而言，亦可使用直接測量托架 2a與2b之間的距離之雷射距離測量裝置，或直接測量夾爪 4a與4b之末端面之間的距離之雷射距離測量裝置，以及將 測量數據藉由無線電傳送至接收裝置。 ❹ ❹ 圖2同樣以非常簡易並且係示意性的形式顯示一種用於 感應加熱之裝置，使用該裝置根據提供給工件6之功決定 工件6之溫度。工件6在線圈21之鐵芯2〇之磁極片之間旋 轉，特定而言，線圈具有超導繞線。經由所標示之驅動電 動機23(原則上類似圖1，即在夾爪之間承載，並且若有必 要’亦借助於雙驅動馬達）將卫件6設定成旋轉。自驅動電 動機23傳遞至工件6之扭矩係利用感應元件傳遞，感應元 件係例如配置在轴上之金屬絲應變計，其將扭矩作為電子 信號傳遞至處料元24，處理單元塊供與扭矩成比例之 參數至處理電腦25。此外，處理電腦接收信號，例如來源 於驅動電動機21之信號’其係代表卫件6之旋轉數。在旋 轉數不同於零時，在雷 在電恥中即啟動一時間測量。根據旋轉 數、扭矩以及經過的加熱時間，電腦確定提供至工件之 在電腦巾1 力量之實際值係與儲存之期望值相比，並 且在相等的情況下’停止(例如)驅動電動機23。 感值或多個期望值經測量，作為較佳以相同方式 t應加熱的一類似或相同工件上的每-工件尺寸及每一工 件材料的感測值；你丨丨‘ ’藉由停止驅動來重複中斷加熱、 134002.doc 200938008 及經由與一熱電偶接觸 準南溫計洌量。 【圖式簡單說明】 ，或藉由在移動 中的工件上執行校 圖1係藉由測量工件之熱膨脹’感應加熱工件至 溫度的裝置之相當簡化的示意圖；及 圖2係藉由測量提供至工件之機械功，感應加熱工件至 期望之溫度的裝置之相當簡化的示意圖。 【主要元件符號說明】 ❹

6 工件 20 鐵芯 21 線圈 23 驅動電動機 24 處理單元 25 處理電腦 2a 托架 2b 托架 3a 電動機 3 b 電動機 4a 夾爪 4b 夾爪 5a 液壓裝置 5b 液壓裝置 7a 路徑測量感應器 7b 路徑測量感應器 134002.doc -13 - 200938008 8a 線行測量刻度 8b 線行測量刻度

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Claims (1)

1. 200938008 十、申請專利範圍： L —種用於藉由將-金屬卫件相對於穿透該卫件之—直流 磁場旋轉而感應加熱該工件至一期望之溫度的方法，其 特徵在於.使該工件被爽緊在兩適於圍繞—共同轴旋轉 之夾爪之間，驅動該等夾爪之至少—者旋轉，該等爽爪 中之至少一者係適合沿著或平行於該旋轉軸而主動移 :，調節該等夾爪中之至少—者的接觸力，且測量至少 ❹ 個代表該工件溫度之機械參數以作為一實際值，並且 與被用作代表該期望溫度之此機械參數的—期望值相比 較。 士奢求員1之方法，其特徵為當該實際值達到該期望值 ¥ ’停止感應加熱。 L如請求項_之方法’其特徵為該代表性機械參數之該 實際值係作為一電子信號經測量或被轉換成一電子作 號，並且其值係與對應於該期望值之一電子信號的值相 比較。 4·如請求項1或2之方法，其特徵為該實際值係連續地測量 並儲存。 5. Γ求項1或2之方法，其特徵為代表該期望溫度的該期 =係在根據以該相同方法予以感應加熱之類似類型之 I考工件上以其溫度及被決定之該機械參數之對應的 實際值所決定，並且在達到該翻 期望，皿度時所測量的該機 械>數之值係經處理作為一用於所有類似工件之期望 值0 134002.doc 200938008 6. 7. 8. 9. ❹10. 11. 12. ❹ 13. ' 14. 15. 16. 如π求項1或2之方法，其特徵 ,,. 竹戳马該工件之熱膨脹係用以 為一代表性機械參數。 路徑測量 如吻求項6之方法，其特徵為熱膨脹係利用 裝置所測量。 ::广之方法，其特徵為該工件之熱膨脹係沿該工 牛之較長轴測量。 如請求項1或2之方法，其特徼蛊 六付做為使用導熱性不良之类 爪。 八 如π求項1或2之方法，其特徵為 做為根據洫度將接觸力調整 至對應於表面壓力之值，該表面壓 刀係比该工件開始塑 I·生I形之隨溫度而變的表面壓力低。 π項1或2之方法，其特徵為該夾爪之接觸力係藉由 、文一式產生’並且接觸力之值係根據該液壓之壓力值 所決定D 俜用I:1或2之方法’其特徵為施加至該工件之機械功 係用从作為該代表性機械參數。 =項1或2之方法’其特徵為連續測量至少被傳輸至 该工件之扭矩。 如求項12之方法，其特徵為機械^@ & 職功係自旋轉數、扭矩 及時間所計算出來。 如請求項12之方法，其特徵為該機 機槭功係自隨時間變化 之破轉數以及隨時間變化之杻拓从士 I杻矩的時間積分所計算出 來0 如請求項1 2之方法’其特徵為自兮 π曰；機械功所決定之溫度 134002.doc 200938008 係用於自該熱膨脹所決定之該工件之溫度的真實性檢 查。 17.如叫求項5之方法，其特徵為在一處理電腦中連續儲存 土於。亥參考工件測量之若干參考值以及基於該工件測量 . 之機械參數的若干實際值，在感應加熱期間將該測量工 • 件彳于到之該等實際值與該等儲存之參考值比較，並且發 送一代表實際溫度之信號。 ❹I8.如請求項17之方法，其特徵為用於各不同尺寸之各工件 及/或各不同材料之各工件之該等參考值係在該處理電腦 中以若干獨立資料檔儲存。 19.如請求項丨或2之方法，其特徵為至少該受熱之工件的材 料及各尺寸係輸入至該處理電腦中，並且該處理電腦係 依照一預定之程式而至少控制該等夾爪之接觸力、該工 件之旋轉數以及與時間相關之感應。 2〇.如請求項1或2之方法，其特徵為在到達該工件之期望溫 ❹ 度時至少該工件之旋轉數係下降至一大致補償熱輕射 及熱傳導之損失的值。 2 1 ·如請求項丨或2之方法，其特徵為在到達該工件之期望溫 度時’磁感應係下降至一大致補償熱輻射及熱傳導之損 失的值。 22. 如請求項1或2之方法，其特徵為利用至少一超導線圈產 生該直流磁場。 23. 如請求項1或2之方法’其係用於若干旋轉對稱之工件。 134002.doc