Einrichtung mit einer Induktionsheizvorrichtung zur Erhitzung eines metallenen, mit Zähnen versehenen Werkstückes und mit diesem Werkstück Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einer Induktionsheizvorrichtung zur Erhitzung eines metallenen, mit Zähnen versehenen Werkstückes und mit diesem Werkstück.
Derartige Einrichtungen arbeiten mit normalen Hochfrequenzen, beispielsweise im Bereich von 10 000 Hz, und den üblichen Rund- funkfrequenzen. Zweckmässigerweise ist der Induk tor so ausgebildet, dass er dicht passend in die Zahn lücke des Gegenstandes eingeführt werden kann und ohne Berührung,
an Flanken und Grund der Zahn lücke bei einer Relativbewegung zwischen Gegenstand und Induktor die Zahnlücke durch den Induktor .ge- wissermassen abgetastet wird.
Zweck der Erfindung ist, bei einer derartigen Einrichtung einen Induktor für die Induktionsheizvor- richtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, die ermöglicht,
eine überhibzung der Kanten der Zähme oder Einkerbungen bei Ein- und Austritt des Induk- tors in die Zahnlücke zu vermeiden und eine gerin gere Erhitzung an den Zahnkronen Aals an den Flan ken und am Zahngrund zu erhalten,
so dass sich die Wärme nicht über die Kronen verteilt erstreckt und benachbarte Teile der bereits wärmebehandelten Oberfläche unbeeinflusst bleiben.
Eine bekannte Einrichtung weist einen Induktor mit mindestens zwei m einer Ebene aufeinanderfol- genden Windungen auf, bei welcher Einrichtung das Werkstück und der Induktor in bezug aufeinander eine Relativbewegung in Richtung der Zähne aus führen können, so dass die Windungen nacheinander in eine Zahnlücke eintreten und diese wieder ver lassen.
Gemäss der Erfindung sind zwei einander benachbarte Windungen so an eine Hochfrequenz- @stromquelle angeschlossen, dass die von diesen Win dungen induzierten Felder entgegengesetzt verlaufen und dadurch die induzierten Ströme in einander be- nachbarten Teilen der Stromschleifen im Werkstück dn gleicher Richtung fliessen,
so d ass sich deren Wir kung an dieser Stelle addiert.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausfüh- rungsbeispiel einer Einrichtung gernäss der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Induk tors, dessen oberer Teil zur Veranschaulichung des Induktorinneren zum Teil weggebrochen dargestellt ist, Fig.2 eine Schemadarstellung der elektrischen Stromwege und -richtengen des in Fig. 1 dargestell ten Induktors sowie den induzierten Magnehfluss,
Fig. 3 in perspektivischer Ansicht zwei benach- barte Zähne eines Werkstückes, z. B. eines Zahnrades, mit den in den Flanken dieser Zähne induzierten Strömen und Fig. 4 in perspektivischer Ansicht den Härtungs- bereich des Werkstückes nach der Luft- oder Flüssig keitsabschreckung.
Der in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellte Induktor enthält einen Hauptteil 10 von im wesent lichen V förnnigem Grundriss, so dass er in die Zahn lücken des zu behandelnden Gegenstandes, beispiels- weise eines Zahnrades 11 (Fig. 3 und 4), leicht ein- geführt werden kann.
Der Hauptkörper 10 mit seinen geneigten Seiten 13 entspricht dabei in seiner Form annähernd der von den Zahnflanken 14 und dem Zahngrund 15 begrenzten Zahnlücke. Der Induktor 9 weist zwei plattenartige getrennte Aussenleiter 16,
17 aus Kupfer und einen ebenfalls laus Kupfer be stehenden gemeinsamen Mittelleiter 18 zwischen den beiden Aussenleitern auf. Mittel- und Aussenleiter sind jeweils durch dünne Isolierplatten 19, ben@spiels- weise aus Glimmer, isoliert. Wie aus Fig. 1 hervor geht, haben die Aussenleiter 16, 17 L-förmigen Quer- schnitt und liegen Rücken an Rücken.
Die Endteile 16a, 17a sind nach aussen gerichtet und der obere Leiter 16 ist etwas schwächer als der untere Leiter 17. An seinem breiteren Ende 20 ist der Mittelleiter 18 nach oben gebogen und liegt parallel zu der verti kalen Endfläche 21 des nach oben stehenden Endes 16a des oberen Leiters 16, von dem er durch die Isolierplatte 22 isoliert ist.
Die äussere Abschluss- fläche 20a des Mittelleiters ist dabei mit der verti kalen Endfläche 23 des nach aussen vorstehenden Endes 17a des unteren Leiters 17 sowie derselben Endfläche :des Leiters 16 bündig.
Ein Leiterband 24 liegt um den Induktorkörper 10 und verbindet die beiden äusseren Leiter 16, 17 elektrisch miteinander. In den Bohrungen 26 in den äusseren Leitern und im Mittelleiter sitzen Klemm schrauben 25 und halten die Anordnung zusammen. Die Schrauben 25 sind durch Isolierbüchsen 27 im Mittelleiter von diesem isoliert.
Am schmalen Nasen ende 28 -des Induktors 9 nimmt eine V-förmige Rinne 29 ein Nasenstück 30 aus Kupfer auf, welches mit den drei Leitern 16, 17, 18 verschweisst ist.
Der von einer Hochfrequenzstromquelle kommende elektrische Strom wird dem Mittelleiter 18 und den beiden äusseren Leitern 16, 17 beispielsweise durch die derart an einen Hochfrequenztransformator ange schlossenen Endteile 16a, 17a bzw.
20 des Induktor- körpers zugeführt, dass die Bohrungen 31 in den Enden 16a, 17a und 20 in den Leiterenden zum Einführen von Schrauben zum Ansetzen des Leiters an die Transformatorsekundärwicklung dienen. Das Loch im Ende 16a des oberen Leiters 16 weist eine eingesetzte Isolierbüchse 32 auf, um einen Kurz schluss an dieser Stelle zu verhindern.
Der momentane Stromfluss im Induktor 9 ent spricht den Stromwegen nach Fig. 2, :d. h. er verläuft vom Transformator beispielsweise längs der Aussen leiter 17 bzw. 16, über das Nasenstück 13 nach oben bzw. unten und über den Mittelleiter 18 zum Hoch frequenztransformator zurück.
Somit enthält der In duktor 9 zwei offene, in einer Ebene aufeinander folgende Schleifen 32, 33 mit einem gemeinsamen Mittelschenkel, dem Mittelleiter 18, wobei der Strom in den oberen und unteren, aus den Leitern 16, 17 und 18 gebildeten Schleifen 32, 33 in entgegenge setzter Richtung fliesst und der Stromfluss durch den Mittelleiter 18 im wesentlichen doppelt so :gross wie im oberen oder unteren Leiter 16 bzw. 17 ist.
Da der Induktor 9 beim Eindringen in die Zahn lücke 12 in den benachbarten Oberflächen der Flan ken 14 und des Grundes 15 einen Stromfluss und ,damit :eine Wärmewirkung längs einer Bahn erzeugt, ,die im wesentlichen der Bahn des Stromes durch den Induktor entspricht, folgt daraus, da.ss die Erhitzung auf jeder Flanke der Zahnlücke in Form einer Dop pelschleife 34 entsprechend Fig. 3 erfolgt.
Nach Fig.3 verläuft jede Einzelschleife 35, 36 jeder Doppelschleife 34 von der Zahnkrone 37 nach unten über .die Flanke 14 zum Zahngrund 15 und die Teile 35a, 36a der getrennten Schleifen verlaufen in unmittelbarer Nachbarschaft auf dem Zahngrund. Wegen des zusätzlichen Stromflusses im Mittelleiter 18 wird im wesentlichen in den im Bereich dieses Mittelleiters
liegenden Teilen der Zahnflanken 14 und des Zahngrundes 15 das Vierfache der Wärmemenge in den Teilen der Flanken und des Zahngrundes erzeugt, die in der Nähe der äusseren Leiter 16, 17 liegen. Somit induzieren die Mittelteile 34a jeder der Doppelheizschleifen 34 im wesentlichen das Vier fache .der durch die Aussenteile 34b jeder Doppel schleife 34 erzeugten Wärmemenge.
Diese Steigerung der Heizungswirkung durch den Mittelleiter 18 wird jedoch erst wirksam, wenn im wesentlichen der gle- samte Induktorkörper 10 von einem Ende her in die Zahnlücke 12 eingedrungen ist, da ja bis zu diesem Eintritt die Doppelschleifen 34 in den Flanken 14 nicht induziert sind.
Wegen dieser Art :der Induktionsbeheizung wird :beim seitlichen Eintritt :des Induktors 9 in die Zahn lücke 12 nur ungefähr ein Viertel der Wärme in den Kanten 39 des Zahnes @am Eintrittsende der Zahn lücke induziert, die dann längs der Zahnflanken 14 durch den Mittelleiter 18 des Induktors induziert wird, wenn dieser vollständig in die Zahnlücke ein getreten ist. Die Heizwirkung vermindert sich dabei in ähnlicher Weise, wenn er Induktor die gegen überliegenden Endkanten 40 der Zähne zu verlassen beginnt.
Durch Verwendung eines derart konstruier ten Induktors kann man somit eine Überhitzung oder ein Durchbrennen der Kanten 39, 40 der Zähne 38, 38 vermeiden.
Die benachbarten unteren Teile 35a, 36a jeder Doppelheizschleife 34 verlaufen längs des Zahn grundes 15, so dass sich die Heizwirkung dieser Heiz- .schleifen am Grunde der Zahnlücke 12 addiert und dadurch eine angemessene Beheizung des Zahngrun- des ermöglicht wird.
Die Flächen 13 des Induktor körpers 10 sind so zueinander geneigt, dass der Ab stand dieser Flächen von den Flanken 14 der Zähne. 38, 38 an :den Zahnkronen 37 etwas :grösser als am Grunde 15 der Zahnlücke isst und grössenordnungs mässig zwischen 0,8 und 0,25 mm liegt.
An den Kronen 37 der die Zahnlücke 12 be grenzenden, benachbarten Zähne 38, 38 sind die Heizschleifen 34 durch den Zahnabstand getrennt, so dass keine additive Heizwirkung an den Kronen auftritt.
Dort tritt nur annähernd die Hälfte der Heizwirkung in Erscheinung, die mit einem üblichen Induktor erzeugt würde, der eine Wärmemenge längs der Flanke 14 der Zähne induziert, die mit der Wärme vergleichbar ist, die durch den Mittelinduktor 18 des beschriebenen Induktors erzielbar ist.
Bevor der Induktor 9 in ,die Zahnlücke 13 ein geführt wird, ist das die Zahnlücke umgebende Mate rial des Zahnrades 11 kalt und wird beim Durchgang des Induktors durch die Zahnlücke allmählich er wärmt. Infolgedessen werden :
die Kanten 39, 39 der Zähne 38, 38 an der Induktoreintritbsseite des Zahn- rades 11 weniger erhitzt, während die Kanten 40, 40 an der Induktoraustrittsseite stärker erhitzt werden. Eine solche ungleichmässige Erwärmung .an den ge genüberliegenden Kanten 39, 40 der Zähne 38, 38 lässt sich :
dadurch ausgleichen, dass man die äusseren Leiter 16, 17 des Induktors ungleichmässig stark macht, wobei der zuerst in die Zahnlücke eintretende äussere Leiter stärker und die Lücke zuletzt ver- lassende Leiter schwächer ausgebildet wird, so dass durch den stärkeren Leiter mehr Wärme auf die kalten Kanten 39, 39 an der Eintrittsseite der Zahn lücke übertragen wird als durch den schwächeren Leiter auf die bereits erwärmten Kanten 40,
40 .an der Austrittsseite. Zur Verbesserung der Konzentration der durch den Induktorkörper 10 auf,die Zahnflanken 14 und den Zahngrund 15 des Zahnrades 11 übertragenen Hochfrequenzenergie .ist jede Schleife 32, 33 des Induktors mit einem flusskonzentrierenden Kerne 41, 42 versehen.
Diese Kerne können Pulverkerne sein, d. h. aus isoliertem, gepulvertem magnetischem Mate rial bestehen, oder aus Ferritmaterial oder, wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel, -aus dünnen, läng lichen Lamellen hergestellt sein.
Jeder Kern 41, 42 besteht paus dünnen, voneinander isolierten, kegel- stumpfförmigen Lamellen solcher Anordnung, dass die geneigten Seiten mit den geneigten Saiten 13, 13 des Induktorkörpers 10 fluchten und Arbeitsflächen 43, 44 entstehen (vgl. Fig. 2). Die Flusswege in den Kernen 41, 42 sind durch die Pfeile 41a, 42a ange deutet.
Nach Fig. 1 weist die untere Absahlussfläche des oberen äusseren Leiters 16 einen länglichen Aus schnitt 45 auf, dem ein ähnlicher Ausschnitt auf der oberen Abschlussflächc des unteren äusseren Leiters 17 entspricht, so dass ein Spalt 46 innerhalb des Induktorkörpers 10 entsteht,
durch den ein durch die Einlassleitung 47 eintretendes und durch eine Auslassleitung 48 ausfliessendes Kühlmittel strömt.
Am Nasenende 28 des Induktorkörpers 10 nimmt die Tiefe des Ausschnittes 45 bei 45a zu, so dass ein vertiefter Raum 46a entsteht, in dem die Kernte 41, 42 montiert und durch die Keile 49 befestigt sind und ebenfalls vom Kühlmittel umströmt und damit gekühlt werden.
Ferner fliesst das Kühlmittel durch einen Kanal 50 in jedem Kern, der durch schlüssel- lochartige Aussparungen in jeder Lamelle entsteht, deren schmale Enden in die V-förmigen Rillen 29 übergehen.
Da die oberen und unteren Leiter 16, 17 ver schieden stark sind, sind auch die Kerne 41, 42 ver schieden dick. Es hat sich herausgestellt, dass bei Ver wendung eines Kerninduktors mit stärkerem vorderem und schwächerem hinterem Kern bei der Wärme- behandlung von Zahnrädern mit kleinem Teilkreis- durchmesser in zusätzlich vorteilhafter Weise voll ständig vermieden wird,
dass die in den Kanten der Zahnkronen beim Ein- und Austritt des Induktors in der Zahnlücke induzierte Wärme nicht ausreicht, diese Kanten auf die erwünschte Temperatur zu brin gen.
Fig. 4 zeigt .bei 51 schematisch die Härtung längs der Zahnflanken 14, 14 und des Zahngrundes 15 bei der vorher beschriebenen Erhitzung des Zahnrades mit Hilfe des in Fig. 1 gezeigten Induktors, an die sich :in üblicher Weise ein Abschrecken mit einem Gas oder einer Flüssigkeit anschliesst. Die Härtung ist am Grunde 15 und an den unteren Teilen der Flanken 14 im wesentlichen gleichmässig tief, nimmt jedoch zu den Kronen 37 hin etwas ab.
Zur Wärmebehandlung von geaahnten Gegen ständen, bei denen die Breite der Zahnlücke im Ver gleich der Länge beträchtlich ist, beispielsweise bei Kettenzahnrädern, können die beiden Schleifen 32, 33 des Induktors 9 gekrümmt oder in anderer Weise .geformt sein, damit sie mit den Konturen der Flanken und :des Grundes benachbarter, die Zahnlücke be grenzender Zähne :
übereinstimmen. Die entsprechende Relativbewegung zwischen Gegenstand und Induktor lässt sich dadurch hervorrufen, dass der Induktor in Längsrichtung der Zahnlücke wie bei den vorher beschriebenen Anordnungen bewegt wird, wobei die beiden Schleifen 32, 33 jedoch um 90 um eine zum Zahngrund senkrechte Achse gedreht und gekrümmt sind, so :
dass die äusseren Schenkel eng längs der Konturen oder Flanken und des Grundes :benachbar- ter Zähne verlaufen.