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PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE TRAITEMENT
THERMIQUE D'UNE ROUE D'ENGRENAGE EN
METAL.
La présente invention concerne le traitement thermique de métal et, en particulier, le durcissement de parties déter- minées de la surface des roues d'engrenage. ou pièces analogues en métal ferreux.
Jusqu'à maintenant, on a chauffé les roues d'engrenage pour le durcissement-des dents en plaçant la roue à l'intérieur d'un solénoide constitué par une hélice conductrice traversée par un courant alternatif pour faire naître par induction ma- gnétique un courant de chauffage dans la roue. Après avoir chauf- fé la roue à une température convenable par ce procédé de. chauf- fage, on la soumet ensuite à une opération de trempe.
Dans ce procédé de chauffage de la roue, on utilise des courants qui, bien que dits de " fréquence de radio " ou de " haute fréquence",
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ontgénéralement une fréquence notablement moindre que 1.000.000 de périodes par seconde, car il est nécessaire que le courant de chauffage soitde fréquence relativement faible pour que les courants induits dans la roue d'engre- nage puissent pénétrer radialement assez loin dans la roue pour atteindre les faces de travail des dents.
Comme conséquence de ce procédé de chauffage, l'opération de durcissement s'étend radialement dans la roue d'engrenage assez loin pour provoquer une fragilité etun manque de ténacité critiquables à la base des dents avec risque de rupture des dents sous l'action de charges brusques. De plus,le trajet du courant de chauffage dans l'engrenage est tel qu'il y a chauffage excessif sur les parties exté- rieures des dents de sorte que les sommets des dents peu- vent être fondus ou déformés avant la trempe ou peuvent être si durs après la trempe qu'ils deviennent cassants et sujets de façon indésirable à des cassures et détério- rations quand ils sont soumis à un effort brusque ou à un choc accidentel.
L'invention a pour but d'établir un appareillage et un procédé simples et efficaces pour cémenter effica- cement ou appliquer un autre traitement thermique à une roue en métal ferreux ou autre, telle qu'une roue d'engre- nage comportant une ou plusieurs régions rentrantes sur sa périphérie, de telle façon que la partie désirée de la région rentrante soit chauffée de façon convenable sans qu'on durcisse ou qu'on fasse subir un autre traitement thermique au métal voisin qui forme support de la région subissant le traitement thermique désiré; d'une façon gé- nérale, l'invention a pour but de perfectionner les appa- reillages et les procédés de traitement thermique sélec- tif de métal.
Selon une caractéristique de l'invention, une roue
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comportant sur sa périphérie une région rentrante telle que la région rentrante entre deux dents voisines d'une roue d'en- grenage, est chauffée par induction par un conducteur de courant à haute fréquence couplé magnétiquement de façon serrée avec la zône superficielle de la région ou des régions rentrantes de la roue et couplé magnétiquement et de façon lâche avec le mé- tal situé au dessous de cette couche superficielle avec le mé- tal des autres parties de la roue, ce qui permet un traitement thermique sélectif des parties désirées de la roue sans chauffa- ge indésirable des autres parties de la roue. La roue est ensui- te soumise à une opération de trempe.
Selon une autre caractéristique de.l'invention, l'appa- reillage pour le traitement thermique d'une roue d'engrenage com- porte un conducteur de chauffage du type à induction magnétique, placé par rapport à un support de la roue d'engrenage de telle façon que les couplages indiqués ci-dessus soient convenablement établis pour l'obtention du chauffage sélectif et du durcissement désirés de la zône superficielle de la pièce. Dans une réalisa- tion, l'invention permet d'obtenir ces résultats par un appareil - lage qui chauffe les dents de la roue successivement; dans une dauxième réalisation, différents secteurs de la roue sont chauf- fés séparément ; dansune troisième réalisation, toutes les dents sont chauffées en même temps.
On comprendra mieux l'invention avec ses buts et ses caractéristiques au cours de la description détaillée ci-après faite en référence aux dessins annexés qui montrent des exemples d'appareillages conformes à l'invention.
Dans ces dessins:
La figure I est une vue en élévation montrant schéma- tiquement l'appareil pour durcir sélectivement les surfaces de travail des dents d'une roue en métal ferreux.
La figure 2 est une vue en plan de l'appareil de la figure I.
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Les figures 3et 4 sont respectivement une vue en plan et une vue en élévation d'un appareil pour le trai- tement thermique simultané des surfaces de travail des dents dans un secteur d'une roue d'engrenage.
Les figures [ et G sontrespectivement une vue en plan et une vue en. élévation d'une autre réalisation d'appareil pour le traitement thermique des surfaces de travail de tentée les dents d'une roue d'engrenage à la fois.
La figure 7 est une coupe partielle de détail selon la ligne 7-7 de la figure 6.
Se reportant aux figures 1 et 2, la roue d'engre- nage I, en métal ferreux, durcissable ou autre métal con - venable, estmontée sur l'arbre 2 porté par des paliers dans le chassis 3 et supporté avec ce châssis par deux rails 4 ayant des -rebords latéraux 5 pour empêcher le déplacement axial de l'arbre 2 et pour guider le châssis 3 le long des rails 4. La barre 6, reliée au châssis 5, est action- née par tous moyens convenables pour faire déplacer le chas- sis avec l'arbre 2 et la roue d'engrenage I à une vitesse uniforme le long des rails 4 de l'extrémité de gauche à l'extrémité de droite pendant que la roue d'engrenage est soumise au traitement thermique comme on l'expliquera ci- après.
Quand le châssis 3 franchit l'extrémité de droite des rails 4, l'arbre 2 est poussé au delà des rails 4 et tombe par gravité de ces paliers du châssis 3, de sorte que l'arbre 2 et la roue d'engrenage I plongent dans le réservoir 7 à bain de trempe qui peut contenir de l'eau ou tout autre liquide de trempe convenable 17.
Au dessous des rails 4 et en alignement avec la trajectoire du bord inférieur de la roue I est montée la crémaillère 8 en une atière électriquement isolante et @ résistant à la chaleur telle que la porcelaine ou toute
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autre matière céramique convenable, les dents 9 de la crémail- lère étant placées de la façon à engrener avec les dents 10 de la roue I, de telle sorte que celle-ci tourne d'un tour com- plet lorsqu'elle fait une course complète d'une extrémité de la crémaillère à l'autre. Aux figures I et 2, la longueur de chaque figure a été raccourcie dans le sens horizontal par une cassure, la partie supprimée étant de même construction que celle repré- sentée.
Le sommet de chaque dent 9 de la crémaillère est tron- qué et présente une forme destinée à recevoir et à supporter le conducteur de chauffage en cuivre ou en tout autre bon con- ducteur de l'électricité ; ceconducteur présente une forme on- dulée avec des segments rectilignes 12 orientés parallèlement aux faces de travail des dents d'engrenage 10 et, de préférence, centrées par rapport à celle-ci et placées à mi-distance et en couplage magnétique serré par rapport aux faces de travail des dents voisines 10 de l'engrenage quand ces dents sont également en prise avec la crémaillère de part et d'autre d'un segment rectiligne donné 12 du conducteur de chauffage.
L'écartement minimum entre le conducteur II et les dents 10 est rendu aussi petit qu'il est possible sans provoquer le contact de ce conduc- teur ou la formation d'arcs par le courant de chauffage quand la roue est déplacée le long de la crémaillère. Cet écarte.ment peut être réduit jusqu'à 0.4 mm. par exemple mais peut être no- tablement plus grand. Les boucles 13 qui réunissent les segments rectilignes voisins 12 du conducteur de chauffage sont, de pré- férence, suffisamment écartés des autres parties des dents 10 de l'engrenage pour rendre le couplage magnétique avec ces dents aussi lâche que possible. On voit ainsi que les segments rectilignes 12 constituent des parties actives du conducteur II et que les boucles 13 constituent des parties passives du con- ducteur en ce qui concerne son couplage avec la roue.
La source de courant à haute fréquence 14, qui comporte,
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de préférence, des oscillateurs électroniques non représen- tés, estreliée au conducteur de chauffage II et présente ordinairement une fréquence de 1.000.000 de période par seconde, ou davantage, cette fréquenceétant de préférence 5.000.000 de périodes par seconde, ou davantage par exem- ple. La fréquence et -L'amplitude du courant dans le conduc- teur II sont commandées respectivement de toute manière bien connue, non représentée, par des boutons 15 et 16.
Pendant le passage du courant de chauffage dans le conducteur II, ce conducteur lui-même ne doit pas être chauffé notablement et peut être refroidi par des dispositifs bien connus, non représentés, si la température tend à s'élever de façon in- désirable.
Le roue d'engrenage I est entraînée de l'extrême gauche à l'extrèmedroite par la barre 6, de sorte qu'un segment différent 12 du conducteur II est placé successive- ment en couplage serré, comme décrit ci-dessus, avec deux faces de travail ou d'usure dans chaque région rentrante de la roue entre des dents voisines 10. La température d' une zone superficielle des dents est ainsi élevée à la va- leur élevée désirée par le conducteur II qui agit comme pri- maire inducteur pour faire naître d'importants courants se- condaires dans une zône mince du métal au dessous de la sur- face de travail des dents.
Cette zone, du fait de la posi- tion du primaire inducteur II sert protéger le Métal en dessous en empêchant ainsi la pénétration d'une intensité de courant indésirable au dessous de cette sone, les autres parties de la roue étant couplées avec le conducteur II de façon si lâche qu'elles ne sont pas chauffées de façon appréciable par lui.
En réglantla valeur du courant et la durée de la course de la roue le long de la crémaillère, on peut com- mander comme on le désire l'épaisseur de la zône chauffée.
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Quand l'engrenage I atteint la dernière dent 9 de la crémail- libre, à la droite des figures I et 2, le dernier couple de faces de travail des dents d'engrenage 10, non encore chauffé, se trouve porté à la température désirée et la roue I, en continuant son chemin, tombe dans le bain de trempe 7 où les faces de travail chauffées des dents sont durcies. Le corps et la face de chaque dent ainsi que les autres parties de la roue restent pratiquement dans leur état primitif de ténacité et non trempé, de sorte que la roue est plus robuste et de plus grande résistance que les roues antérieures dont il a été ques- tion ci-dessus et elle est capable d'un fonctionnement plus sur et présente une durée plus longue que ces roues antérieures.
Aux figures 3 et 4, la disposition représentée est particulièrement bien adaptée pour durcir les faces de travail de roues d'engrenage relativement lourdes, ou de diamètre rela- tivement grand. Dans ce cas, un conducteur de chauffage de la forme représentée à la figure I, capable de s'étendre assez loin pour atteindre la périphérie complète de la roue d'engre- nage peut représenter une impédance trop élevée pour un fonc- tionnement pratique à la fréquence du courant de chauffage ou la roue peut être si encombrante que la disposition de la figu- re I n'est pas à recommander. Dans la réalisation modifiée de la figure 3, le conducteur de chauffage 20 est d'une longueur relativement faible, de sorte qu'il peut constituer pour le courant de chauffage désiré, un circuit d'impédance convenable- ment faible.
La roue d'engrenage 21 est fixée solidement par l'écrou 22 vissé sur l'extrémité supérieure de l'arbre 23 qui passe à travers le centre de la roue 21. Un épaulement 24, con- tre lequel sont serrés la roue 21 et l'écrou 22, est prévu au dessous de la roue. L'extrémité inférieure de l'arbre 23 tourillonne dans le palier 26 du bloc de base 27.
Dans le but d'arrêter la roue 21 et de la maintenir en position de travail, par rapport au conducteur de chauffage 20, on a prévu la dent d'arrêt mobile 30 qui s'adapte étroitement
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entre les faces de travail de deux dents voisines 31 et 'peut se déplacer axialement à 1'intérieur du guide tubu-
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laire 32, cette dent étant prolongée verc' l'arriére, par une tige axis,le 55, qui traverse l'e:%tréù:ité fermée 54 du tube 32; l'extrémité extérieure de la lise 33 sertde poignée pour permettre de retirer la dent 30 de l'inter- valle entre les dents 31 de la roue d'engrenage, de sorte que la roue 21 peut alors tourner sans buter contre la dent 30.
Un ressort en hélice 35, comprimé entre l'extré- mité 34 du tube 32 et la dent 30, pousse cette dent forte- ment en contact avec les faces voisines des dents 31, ce qui verrouille la roue 21 en empêchant un déplacement angulaire.
Le conducteur de chauffage 20 est r:onté sur les surfaces supérieures plates 26 du bloc 37 qui esten ma-
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tière électriquement isolante et rCJsi:;tant ;t la chaleur et qui est fixé au bloc support 27 par des vis 38 ou tous autres moyens convenables.
Le conducteur 20 estcourbé se-
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lon uil7 :f:'o;;."",e ondulée et il )l'ésf-.t1te plusieurs éléments 59 en forme générale de V qui s'étendent selon un arc de cer-
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ele ayant re".e axe que la roue d'engrenage 21. 1ecarts entre les sio ..iets des éléments 5 en V correspondent ;1 ceux entre les dents de la roue 21, de sorte que le conduc- teur 20 peut être placé de façon que les éléments en V pé- nètrent dans les intervalles entre les couples successifs de dents le long de la périphérie de la roue l'intérieur d'un secteur donnéde cette roue.
Au voisinage de la .roue
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21, le bloc 57 est : uni de plusieurs nontan'us ¯0 qui sont orientés aral .leracr,.t - l'axe de la roue d'engrenage 21 et si:=ven.t 1-, guider le conducteur 20 quand celui-ci e8 dé- placé rs.diale:.¯::t pour être aa:::né en prise avec la roue 21, ces montants il7 agissant cOi'2'¯¯. , butées pour ±:".-xf;ifl la position désirés des l ¯-c?ents 39 en V du conducteur 20 a l'intérieur des intervalles entre les dents voisines de la roue 21.
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Chaque élément'en V 39 est, de préférence, placé quand il est .en prise avec la roue 21, de telle façon que le conducteur soit couplé de façon serrée avec les faces de travail voisines des dents entre lesquelles il est placé, le sommet du V étant, de préférence, assez écarté radialement vers l'extérieur du fond de l'intervalle entre les dents voisines pour réduire le coupla- magnétique autant que possible à un couplage ge @läche avec le' [;étal reliant les dents voisines, afin de rédui- re le chauffage dans cette région.
Les boucles 41 du conducteur 20, recourbées autour des montants 40 et reliant les éléments voisins 39 en V, sont, de préférence, assez écartées des extré- mités extérieures, dans le sens radial, des dents voisines de la roue 21 pour établir un couplage magnétique lâche avec elle, afin d'empêcher un chauffage excessif ou indésirable à l'extrémité extérieure des dents.
On voit que les deux côtés de chaque élément en V 39 peuvent être considéres comme étant des portions actives du conducteur 20, car ils sont couplés de fa- çon serrée avec les surfaces de travail des dents d'engrenage voisines et peuvent, par conséquent, faire naître des courants de chauffage convenables à l'intérieur d'une mince couche le long des surfaces de travail des dents, tandis que les sommets des éléments en V et les boucles extérieures 41 reliant les V peuvent être considérés comme des portions massives du conduc- teur 20, car leur couplage lâche avec le métal de la roue d'en- grenage 21 les empêche de provoquer un échauffement excessif ou indésirable à l'intérieur de la roue.
Lors du traitement thermique de la roue par le dispo- sitif des figures 3 et 4, on fait passer uh fort courant de chauffage pendant un intervalle de temps prédéterminé très court à travers le conducteur 20, la fréquence et l'intensité du courant étant suffisantes pour élever la température d'une couche de métal sur les surfaces de travail des dents d'engrena- ge à une valeur convenable pour le cémentation, tandis que l'in- @ tervalle de temps pendant lequel circulent les courant'"de chauf-
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teur ds la roue 21, '.ais convient -1assi poar la trempe par il. ersion selon l'un queJ¯con.ue des procédés bicL1 contas.
On comprendra que le conducteur 20 peut présenter toute dimension désirée dans le sens de l'axe des dents d'engre- nage, sans 1ue soit augmentée l'épaisseur dans le sens ra- dial par rapport aux dants.
Après le durcissement des surfaces de travail à
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l'intérieur ¯1 secteur occ#ij?µ par le conducteur ;t0, on sé-
30 pare la dent' de la roue 31, le conducteur 20 étantmomen-
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t=n.àment éoarté de 1- roue 21 et la roue est . ise en pla- ce à une position pour laquelle le secteur suivant, voisin de celui qui a subi le traitaient thermique, se trouve en regard du bloc 37, de sorte que le conducteur 20 peut être alors ramené à sa position de travail en prise avec la roue 21, tandis que celle-ci estverrouillée par la dent 30 etque les lents du nouveau secteur de roue en position de travail sont soumises au traitement de cémentation dé- ja décrit.
De cette manière, les secteurs successifs de roue peuvent être durcis jusqu'à ce que toutes les
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dents 8 ai'3ll [; été convenabissmnt traitées.
Dans la variante des figures 5 et G, la roue d'engrenage 50 est montée sur un arbre 2S ser,i'Él,al;>1,e ,À ce- lui des fi\ILlref:) 2.; et 4, ;-' aj7bl';2 étant fixé a .'.'intérieur du trou 51 a L'extrémité inférieure du plongaur 52 régla- ble axialecient qui peut êre déplacé rapidement dans le
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sens axial jusqu'à une position désirée quelconque par un dispositif hydraulique ou tout autre dispositif bien connu non représenté.
Le conducteur de chauffage ondulé 54 qui s'étend comme une couronne autour de la périphérie de la roue 50 pré- sente des segments sensiblement verticaux ou rectilignes ou portions actives 55, parallèles aux faces de travail des dents de la roue 50. Les portions 55 sont couplées de façon serrée avec les faces de travail des dents et sont réunies entre elles par les boucles 56 en U constituant des portions massives dont les couplages avec le métal de la roue 50 sont aussi lâches qu'il est possible sans introduire une impédance excessive dans le conducteur 54.
Afin d'établir un jeu pour le déplacement axial de la roue d'engrenage 50 à travers la couronne formée par le conducteur 54, les boucles,56 du conducteur 54 sont incurvées radialement vers l'extérieur. Les extrémités extérieures dans le sens radial des boucles 56 sont en contact de frottement avec les bords internes supérieure et inférieur de la bague 57 en ratière électriquement isolante et résistant à la chaleur, telle que celle employée pour la crémaillère 2 des figures I et 2, la bague 57 servant de support pour maintenir le conducteur ' 54 dans une position fixe, de sorte que la roue d'engrenage peut être déplacée axialement pour être amenée en regard du conducteur 54, comme représenté à la figure 6, pour l'applica- tion de chaleur à toutes les dents de la roue à la fois.
Chaque segment actif 55 du conducteur de chauffage est placé par rapport aux faces de travail d'un couple de dents voisines de la roue 50 dans la même position que le segment actif 12 le plus en prise des figures I et 2 par rapport à la roue d'engre- nage I. La bague 57 est maintenue solidement à l'intérieur des supports fixes 58 en forme de C au dessus du réservoir de trempe 59 qui contient l'eau ou tout autre liquide de refroi-
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disseuent COLVrl1)2 jo pour la 'ur'L1;G' de la roue après le chauffage.
Pour le fonctionnement; del'appareil des figures 5 et G, la roue 50 est montée sur l'arbre 23, l'arbre étant
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ensuite i;<oi;1;ù <M#i=.J le -)loJ-,:eu.r ['2, quand le plongeur est soulevé axialefisnt au dessus de la position 1" yrOÇ ; i..i:,t? la figure 6.
Le courant de chauffage provenant de la Gour- ce à hautefréquence 14 est règle . une fréquence et une amplitude convenables comme décrit ci-dessus, le courant traversant le conducteur 50 pendant un intervalle de temps prédéterminé de faible durée, habituellement de l'ordre d'une fraction de seconde, par exemple 1/5 de seconde ou davantage, pendant cet intervalle de temps, les surfaces de travail des dents sont rapidement amenées 14, la tempéra- ture désirée pour la trempe, la roue étant ensuite abaissée rapidement par le plongeur 52 dans le liquide 60 pour la trempe et le durcissement des surfaces de travail des dents d'engrenage.
Les différentes réalisations décrites ci-dessus ne conviennent pas seulement pour durcir les surfaces des
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roues Tiétalliques ir.ais peuvent être employées pour le re- cuit ou tout autre traitement thermique d'une pièce de métal. Dans le but de recuire des portions déterminées de la pièce, on peut appliquer la chaleur par le procédé décrit ci-dessus et laisser refroidir la pièce à la vites- se désirée pour le recuit en continuant à faire passer le courant de chauffage à un degré progressivement réduit jus- qu'à ce que le refroidissement désiré ait lieu dans opéra- tion de trempe brusque.
Il est évident, d'après la description ci-dessus que les réalisations particulières qui ont été décrites à titre d'exemples peuvent recevoir des modifications consi- dérables pour la construction et les détails sans qu'on
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s'écarte du cadre de l'invention.