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Dispositif pour le traitement thermique de pièces métalliques par induction ------------- Convention Internationale ; Priorité d'une demande de brevet
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d'invention n D 90 717,VIIIC/&lh, déposée en Allemagne le 11 mai 1943.. - ..
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------------------------- 7------------------------------------- 'Pour le traitement thermique -de pièces métalliques par électro-induction, deux types d'appareils se sont imposés :- La pièce peut être placée dans le champ magnétique d'un in- ducteur ayant la forme d'une bobine ou d'une boucle conductrice se fermant par-dessus la surface de la pièce.
Ou encore la pièce 'peut être branchée dans un circuit magnétique pour assurer le retour du flux, ce circuit comprenant un noyau feuilleté analogue à un transformateur et pourvu d'un enroulement excitateur. On sait que, pour le chauffage par induction, on peut faire fonctionner l'appareil aussi bien sur la fréquen- ce d'un réseau (16 2/3 à 60 Hertz) que sur une fréquence moyenne (100 à 20.000 Hertz) que sur une haute fréquence
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(&o.000 .à .000..000 Hertz). La fréquence 'qu'il convient dotez- ployer dépend en premier lieu du régime de température qu'on désire produire dans la pièce et aussi de ses dimensions et de sa matière constitutive.
Quand, en vue de la trempe super- ficielle de pièces férro-magnétiques, il suffit que l'échauf- fement intéresse de minces couches de la pièce, on emploie généralement une fréquence moyenne ou haute. Quand, au con- traire, la pièce doit être trempée plus profondément ou- chauf- fée dans toute sa masse, ainsi que cela est nécessaire pour l'adoucissement, le recuit, l'étirage ou pour des traitements analogues, on réfère en règle générale les fréquences moyen- nes ou basses (fréquences de réseau). Quant au traitement de . pièces métalliques en matière non magnétique, on emploie pour assurer les memes échauffements des fréquences plus élevées dans une mesure correspondante.
De façon générale, on a'utilisé lés fréquences moyennes et hautes avec les, inducteurs, tandis qu'on a assuré avec des fréquences moyennes de valeur plus faible ou avec des fréquen- ces de réseau le fonctionnement des appareils dans lesquels la pièce sert au retour du flux d'un circuit d'excitation avec couplage fer. Lais cesderniers appareils présentent des inconvénients en ce sens que la perméabilité magnétique de la matière diminue le plus souvent au fur et à mesure que la tem- pérature s'élève. Après le franchissement du point de conver- sion magnétique, par exemple avec l'acier, la perméabilité prend -la valeur 1 et l'appareil fonctionne comme une bobine de réactances 4 très grand entrefer.
La conséquence de ceci, c'est que.le degré d'efficacité thermique et le facteur de puissance pendant le processus d'échauffement sont extrême- ment faibles. Pour assurer le chauffage de la manière dési- rée,. il faut disposer de quantités considérables d'énergie.
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Il faut, en outre, prévoir sur une vaste échelle des condensa- teurs qui assurent la compensation des courants réactifs. malgré cette contribution, il n'est pas possible dans la plu- part des cas etquand il s'agit de matières non magnétiques d'obtenir des montées de température suffisantes et, dans l'hy- pothèse d'acier, des températures situées nettement au-dessus de la température de conversion magnétique. Un autre inconvé- nient inhérent aux appareils de ce genre c'est qu'il se produit une composante de force magnétique très accentuée qui, notam- ment avec les fréquences de réseau, donne lieu à des phénomè- nes oscillatoires mécaniquesdésagréables et perturbateurs dans les pièces à traiter.
Les inducteur affectant la forme de bobines ou de boucles et accouplés directement à la pièce à chauffer présentent cet inconvénient de ne pouvoir fonctionner que difficilement sur les basses fréquences moyennes et sur les fréquences de réseau surtout quana on ne désire qu'un échauffement superficiel com- me cela est nécessaire par exemple pour la trempe superficiel- le ou quana les sections droites aes pièces à traiter sont fai- bles.
Ceci posé, le but de l'invention est de créer un disposi- tif' qui soit dans une forte mesure indépendant de la fréquence à employer et de la conformation des pièces à traiter et qui puisse fonctionner dans tous lescas avec un rendement satis- faisant aussi bien du point de vue électrique que du point de vue thermique. Ce dispositif est étudié, au surplus, pour pouvoir assurer à despièces métalliques non magnétiques ain- si qu'à des pièces ferro-maétiques un traitement thermique économique par induction, même si réchauffement est poussé au delà du point de conversion magnétique.
En outre, ce dis- positif permet d'employer les fréquences de réseau ou les fréquences moyennes pour la traitement de pièces ayant des sections droites ou des épaisseurs de paroi faibles qui exi- geaient jusqu'ici des courants de haute fréquence pour obte- nir une puissance de chauffe suffisante.
Il est prévu à cet effet, suivant l'invention, un dispo- sitif pour le chauffage de pièces métalliques constitué par un circuit d'excitation magnétique à couplage fer et par un inducteur placé dans le voisinage immédiat de la pièce et for- mé d'une bobine ou d'une boucle conductrice. C'est la pièce qui assure ici le retour au flux du circuit d'excitation à couplage fer. L'inducteur et le circuit d'excitation sont branchés de telle sorte que les champs engendrés agissent simultanément sur la pièce.
Les dessins schématiques annexés qui représentent des réalisations du principe de l'invention faciliteront sa compréhension: .
Suivant la fig. l, la pièce ,quadrangulaire 1 qui est par exemple en acier ou en fer doit être chauffée dans toute sa masse à une température approximative de 9000 ainsi qu'il est nécessaire notamment pour une opération de recuit. A cet ef- fet, l'invention prévoit qu'un inducteur 2 en forme de bobine à plusieurs spires et munie de bornes 2', 2" entoure la piè- ce 1. Celle-ci assure, en outre, le retour du flux du champ magnétique qui est produit par un enroulement excitateur 4 pourvu de bornes 4' , 4" dans le noyau de fer feuilleté 3.
De cette manière,la pièce 1 subit l'action de deux champs magnétiques perpendiculaires l'un à l' autre. L'inducteur et l'enroulement excitateur du circuit magnétique peuvent être montés en série ou en parallèle, mais le montage en sé-
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rie est à préférer.
Le champ magnétique engendré par l'inducteur de même que celui que produit le circuit d'excitation participent au dé- gagement de chaleur, et si l'on suppose que le montage est en série, le fonctionnement s'opère comme suit :
Par suite,de la montée de la température et de la dimi- nution de la perméabilité qui en est la conséquence au sein de la pièce, l'absorption du courant apparent dans la bobine
4 est plus grande et, quand la température à laquelle la piè- ce devient non magnétique est dépassée, il se produit une no- table absorption de puissance apparente. Le courant apparent , parcourt simultanément l'inducteur.?4 et produit par suite de sa puissance un effet thermique accru, de sorte que la tempé- rature désirée est atteinte sans peine.
La disposition que prévoit l'invention donne, en outre, la possibilité d'opérer aveo le minimum.de condensateurs ou d'éléments équivalents.
En effet, malgré la diminution de la perméabilité de la piè- ce par suite de la disposition des bobinages ae l'excitateur et de l'inducteur un facteur de puissance favorable est main- tenu.
La fig. 2 représente en plan un dispositif correspondant à ce que montre la fig. 1 et convenant pour chauffer une piè- ce cylindrique 11. L'inducteur en forme de bobine enveloppe cette pièce, etl'orifice du noyau feuilleté du circuit d'ex- citationest également adapté à la forme de la pièce. L'enrou- lement excitateur monté sur le noyau n'est pas visible dans cette figure. La bobine 12 est équipée de manière connue en soi de culasses magnétiques auxiliaires 15 pour concentrer le champ engendré par l'inducteur 12. Les spires du bobinage de cet inducteur sont (comme le montre la fig. 3 qui est une coupe par la ligne A-B de la fig. 2) logées dans des rainures des faces frontales du noyau feuilleté 13.
Suivant la fig. 4, une pièce cylindrique 21 doit être soumise à un traitement d'étirage. A cet effet, il est prévu en premier lieu un inducteur 22 en forme de bobine muni de , bornes 22', 22". Le noyau magnétique du circuit d'excitation est constitué-ici'par un anneau 23 pourvu de prolongements formant cosses polaires. Ce noyau présente un feuilletis disposé parallèlement au plan du dessin. Sur l'anneau 23 sont bobinés des enroulements excitateurs 24 dont le nombre correspond à celui des cosses polaires. Ces enroulements excitateurs sont montés en série ou en parallèle, de façon. à engendrer'un flux magnétique dirigé dans le sens indiqué par les flèches 25. Une pareille disposition n'est pas res- treinte d'ailleurs à l'utilisation de -quatre cosses polaires.
Il peut y en avoir moins ou davantage à condition qu'il soit prévu dans tous les cas autant d'enroulements excitateurs que de cosses polaires.
Dans la fig. 5 est représentée la disposition semblable à celle que montre la fig. 1 avec cette différence toutefois que l'inducteur 32 en forme de bobine est décalé de 90 par rapport à celui de la f ig. 1. Le flux magnétique engendré dans une phase déterminée du noyau 33 par l'enroulement exci- tateur 34 est caractérisé, graphiquement parlant, par les flèches 34'. Le flux magnétique qui est engendré par la bo- bine est caractérisé de même par la'flèche 32'. Les deux champs magnétiques ont donc la même direction dans chaque phase du courant alternatif.
Cette disposition est particu- lièrement intéressante quand il s'agit d'obtenir un fort effet surfaoial. En effet, les champs magnétiques qui ont la même
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direction comme il vient d'être dit assurent une plus forte conjugaison des courants à la surface de la pièce.
Dans la mesure où le fer de retour du flux magnétique du circuitd'excitation est pourvu deprolongements formant cosses polaires, on peut également adopter la disposition représentée dans la fig. 6. La pièce 41 est entourée' ici par son inducteur 42 et logée dans un orifice du noyau. En face de son extrémité frontale est prévu le prolongement formant cosse polaire du noyau 43 sur lequel est bobiné l'enroulement excitateur 44. Il en résulte un flux magnétique qui s'étend principalement selon l'axe de la pièce. Dans la région médiane de celle-ci il y a pourtant une partie des lignes de force .;ui sortent de la pièce.
Il peut en'résulter une influence particulièrement simple de la répartition de la chaleur, notamment si le rapport ampères-tours est modifie par degrés rapprochés à l'aide de bornes intermédiaires branchées sur l'inducteur et(ou) sur la bobine d'excitation.
Que la pièce soit placée dans un orifice du noyau feuilleté du circuit d'excitation ou qu'elle soit amenée dans la portée d'action de cosses polaires de ce circuit, il oonvient d'adapter les surfaces du noyau qui sont voisines de la pièce à la conformation de celle-ci, une différenciation dans la façon de prévoir l'entrefer permettant en outre d'influencer le régime de température.
La fig. 7 montre schématiquement de quelle manière le dispositif peut être établipour le traitement thermique d'outils à tranchant comme des haches, des cognées, des couteaux, des soies ou des outils analogues. Dans ce cas, c'est la pièce 51 qui assure le retour du flux magnétique du noyau en fer 53 du circuit magnétique engendré par l'enroulement 54.
Les faces frontales de l'orifice dans lequel la pièce est introduite sont appareillées à la forme du.tranchant de l'outil à obtenir, et dans les faces frontales sont pratiquées des rainures servant de logements aux boucles chauffantes 52 de l'inducteur. Il importe peu en soi qu'on utilise une boucle conductrice ou une bobine. On a supposé dans le présent cas qu'on se sert d'une boucle conductrice chauffante et que l'arrivée du courant s'effectue par les points désignés par 52' et 52".
Les dispositifs conformes à l'invention sont appropriés aussi bien au traitement thermique de pièces inmobiles qu'à leur traitement par le procédé consistant à lesfaire avancer.
On décidera selon les cas particuliers s'il.y a lieu, simultanément au traitement, d'imprimer un mouvement à la pièce autour de son axe, ainsi que cela est connu d'ailleurs dans la technique au chauffage par induction. Les dispositifs se prêtent du reste au chauffage de la pièce dans toute sa masse en vue' du recuit, de l'étirage, de la concrétion, de la trempe, de la normalisation, de la fabrication de paliers à éléments fondus, du forgeage, du laminage, de l'emboutissage, de l'estampage ou repoussage, de même qu'à un échauffement devant n'intéresser que la surface ou une portion de la masse de la pièce, comme cela est le cas par exemple de la trempe superficielle ou de la trempe partielle.
Les dispositifs auxiliaires tels que ceux qui sont nécessaires dans le traitement thermique de pièces métalliques, en particulier des dispositifs d'absorption, de saisissement et de refroidissement ne sont ni décrits, ni représentés ici. Leur disposition et leur utilisation sont en effet connues.