DE3426862A1 - Verfahren und geraet zur induktionshaertung von zaehnen, insbesondere eines zahnrades - Google Patents

Description

Verfahren und Gerät zur Induktionshärtung von Zähnen, insbesondere eines Zahnrades

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur Oberflächenhärtung von Zähnen, insbesondere Zahnradzähnen, durch induktive Erhitzung.

Die Erfindung ist in erster Linie auf die Herstellung von oberflächengehärteten Zahnradzähnen für Anwendungen auf starkmotorige Schiffsantriebe gerichtet, bei denen Zuverlässigkeit an oberster Stelle steht. Indessen ist die Erfindung auch auf andere Anwendungsfälle für Zahnräder oder andere Komponenten anwendbar, von denen eine verbesserte Arbeitsleistung gefordert wird. Es kann (a) ein Zahnrad einer bestimmten Größe und Ausführungsform zufriedenstellend mit zumindest einer Höhe der Zahnbelastung, die mit bestehenden Zahnbehandlungstechniken möglich ist, arbeiten oder es können (b) die Zahnradabmessungen reduziert werden, während noch die gleiche Drehmomentübertragungskapazität erreicht wird, wie dies mit größeren Zahnrädern, welche mit bestehenden Techniken behandelt werden, möglich ist. Im Fall b gestattet die mögliche Reduzierung der Abmessungen von Zahnrädern eine drastische Verringerung der Gesamtvolumina von Getriebekästen und Zahnradgetrieben, d. h. der Gehäuse, die eine Reihe von Zahnrädern aufnehmen, mit offensichtlichen Vorteilen in Antriebsgetriebeanordnungen, bei welchen eine wirksame Ausnutzung des Platzes, der zur Verfügung steht, wichtig ist. Fall b ist außerdem insbesondere vorteilhaft für Schiffs-Zahnradgetriebe. 30

Wo große Kräfte zu übertragen sind und hohe Grade von Zuverlässigkeit gefordert werden, sind gehärtete Zahnradzähne wünschenswert. Der ideale Zustand ist gegeben, bei dem Zahnradzähne einen weichen Kern haben, um Materialermüdungsbelastungen zu widerstehen, und eine harte Oberflächenschicht, um den Hertz'sehen Berührungsbelastungen zu widerstehen. Es bestehen drei Hauptverfahren zum Härten von

Zahnradzähnen, die im folgenden angegeben werden:

(i) Karburieren - ein Verfahren, bei dem Kohlenstoff in das erhitzte Metall diffundiert. Dies ergibt eine tiefe, harte 5 Oberflächenschicht, jedoch mit einer beachtlichen Verformung des Metalls, die einen großen Teil von Schleifarbeit erfordert, um die endgültigen Abmessungen zu erreichen.

(ii) Induktionshärtung - ein Verfahren zur lokalisierten Hitzebehandlung. Die Oberflächenhärte ist geringer als die durch Karburieren erreichbare, es ergibt sich jedoch eine sehr geringe Verformung des Zahnprofils, was eine merklich geringere Endschleifbearbeitung erfordert.

(iii) Nitrierhärtung - ein Verfahren, bei dem gasförmiger Stickstoff in das Metall diffundiert, um eine dünne Oberflächenschicht zu erzeugen, die kein abschließendes Schleifen nach der Behandlung erfordern muß.

Von diesen Verfahren ist die Induktionshärtung die am meisten geeignete für große Hochleistungs-Schiffahrts-Getriebeelemente, bei denen ein hoher Grad an Zuverlässigkeit wesentlich ist.

In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff "Induktionshärtung" auf das induktive Erhitzen der Oberflächenschicht von Zahnradzähnen gefolgt durch ein schnelles gesteuertes Abkühlen, um eine harte, dicke Oberflächenschicht, die fest mit dem Metallsubstrat verbunden ist, zu erzielen.

Die induktive Erhitzung ist eine bekannte Technik, durch welche Substanzen, die Elektrizität leiten können, erhitzt werden können. Bestimmte Legierungen, insbesondere Stähle, können durch Erhitzen und anschließendes kontrolliertes Abkühlen gehärtet werden. Da eine induktive Erhitzung selektiv in lokalisierten Bereichen einer Komponente erfolgen

kann, kann dieses Erhitzen eines lokalisierten Bereiches gefolgt durch das kontrollierte Abkühlen eine lokalisierte Aushärtung erzeugen, beispielsweise der Oberfläche eines Zahnradzahnes, während das Substrat unbeeinflußt bleibt. Auf diese Weise können Zahnradzähne mit harten, abriebfesten Oberflächen auf einem Substrat erzeugt werden, das flexibel ist und eine Verformung unter Last erlaubt.

Es sind zahlreiche Induktionshärtungsverfahren in Benutzung, die meisten können jedoch entweder keine Zahnräder mit festgelegten Eigenschaften für jeden Zahn des Zahndrades und von einem Zahnrad zu einem weiteren erzeugen oder solche Zahnräder können nicht zuverlässig bei hohen Zahnbelastungen arbeiten. Übliche Ursachen von Fehlern sind das Bilden von Rissen oder ein Abblättern der gehärteten Oberflächen, insbesondere an den Spitzen oder Kanten der Zähne. Die meisten Induktionshärtungsverfahren erzeugen entweder regelmäßig oder gelegentlich interne Zugspannungen in dem Metall, und zwar an dem Zahnfuß. Dies reduziert in starkem Maße die Last, die die Zähne übertragen können, wenn die Zahnlast Zugbiegespannungen in dem Zahnfuß verursacht, und falls in dem Zahnfuß außerdem Restzugspannungen bestehen, könnte der Zahn durch Brechen unter der Ermüdungsbiegungsbelastung ausfallen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme zu beseitigen, die zu Zahnradausfällen führen können und die mit bekannten Induktionshärtungstechnlken einhergehen, durch Schaffung eines Verfahrens und eines Gerätes, welche eine oberflächengehärtete Schicht von im wesentlichen gleichförmiger Dicke von der Spitze längs einer Zahnflanke eines Zahnradzahnes um den Zahnfuß herum und längs der Zahnflanke des nächsten benachbarten Zahnes zu dessen Spitze hinauf erzeugen, wobei die Schicht oder Lage eine interne Struktur hat, die das Äquivalent zu einer "eingebauten" Druckbeanspruchung in zumindest den Bereichen der Zahnradoberflächen, welche den größten Biegekräften oder

anderen Spannungen im Betrieb ausgesetzt sind, darstellt, um so die Biegeermüdungseigenschaften zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Indukti-5 onshärtung der Zahnflanken- und Zahnfuß-Oberflächen von Zähnen, insbesondere von Zahnrädern, vorgeschlagen, um eine oberflächengehärtete Schicht längs dieser Oberflächen herzustellen, welches Verfahren folgende Schritte enthält:

1) Veranlassen einer relativen Seitenbewegung eines elektrisch erregbaren Induktorkopfes längs des Zwischenraums zwischen benachbarten Zahnradζahnen, wobei der Induktorkopf ein äußeres Profil hat, das im wesentlichen mit dem Profil des Zwischenraums, der zwischen den Zahnradzähnen definiert ist, übereinstimmt;

2) Führen der Seitenbewegung des Induktorkopfes, um auf diese Weise vorbestimmte Spielräume zwischen der äußeren Oberfläche des Induktorkopfes und den Zahnfuß- und Zahnflanken-Oberflachen des betreffenden Paares von Zahnradzähnen aufrechtzuerhalten, wobei der Spielraum ein Minimum zwischen dem Induktorkopf und der Zahnfuß-Oberfläche ist und sich in vorbestimmter Weise längs den Zahnflanken-Oberflächen in einer Weise ändert, durch die ein Erhitzen längs der Zahnflanken- und Zahnfuß-Oberflächen auf eine im wesentlichen gleichförmige vorbestimmte Temperatur erreicht wird, die für eine Induktionshärtung geeignet ist;

3) Richten von Strahlen eines Kühlmittels auf die

Oberflächen der unerhitzten Zahnflanken, der Zahnspitzen, der erhitzten Zahnflanken und der Zahnfüße des Paares von Zahnradzähnen, um so eine relativ schnelle Abkühlung dieser Oberflächen zu erzielen.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) das gesamte Zahnrad in einen Tank mit einem Kühl-

mittel eingetaucht wird;

b) das Kühlmittel Öl oder ein anderes nichtwässriges Abschreckungsmittel ist;

c) die Höhe des Induktorkopfes kleiner als die Tiefe des Zwischenraums zwischen den Zahnfuß- und Zahnspitzen-Oberflächen jedes Paares von Zahnradzähnen ist;

d) Arbeitsparameter, nämlich die vorbestimmten Spielräume, die Höhe der elektrischen Energie, die zugeführt wird, und die Geschwindigkeit der Seitenbewegung des Induktorkopfes sowie der zeitliche Verlauf der Abkühlung, in einer Weise gesteuert werden, daß eine im wesentlichen gleichförmige Dicke einer oberflächengehärteten Schicht von Zahnspitze zu Zahnspitze längs der Zahnflanken- und Zahnfuß-Oberflächen des Paares von Zahnradzähnen gebildet wird, welche oberflächengehärtete Schicht eine interne Struktur hat, die das Äquivalent einer eingebauten Druckbeanspruchung in deren Oberfläche zumindest in dem Bereich jeder Zahnfuß-Oberfläche und deren Übergang zu den Zahnflanken-Oberflächen darstellt.

Das Eintauchen des gesamten Zahnrades in einen Tank, der Öl oder ein anderes nichtwässriges Abschreckungsmittel (Merkmale a u. b) enthält, schafft einen relativ "weichen" Abschreckungsvorgang (verglichen mit Wasserabschreckung), wobei eine im wesentlichen isothermale Umgebung vorhanden ist, die im wesentlichen die gesamte Wärme, die in dem Zahnrad während eines Durchlaufs des Induktorkopfes erzeugt wurde, in ausreichendem Maße abgeführt werden kann, dies jedoch nicht zu schnell, um so die geforderte Oberflächenhärtung und Tiefe der Randzone zu erzielen, bevor ein zweiter Durchlauf beginnt.
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Durch Vorsehen eines Induktorkopfes, der eine Höhe hat, die geringer als die Tiefe des Raumes zwischen den Zahnfuß- und

Spitzen-Oberflächen jedes Paares von Zahnradzähnen (Merkmal c) ist, ist es möglich, daß eine zufriedenstellende oberflächengehärtete Schicht bis zu den Spitzenflächen jedes Zahnradzahnes ausgebildet wird, jedoch ohne das Risiko eines Überhitzens der Zahnradzahnspitze, die andererseits mögliche Probleme des "Abblätterns" oder "Abplatzens" von Bereichen der Zahnradzahnspitze mit sich bringen wurde.

Die Steuerung der Operationsparameter (Merkmal (d)) erlaubt es, eine oberflächengehärtete Schicht auszubilden, die wirksam ein Netz von "eingebauten" Druckbeanspruchungen in deren Oberfläche bzw. das Äquivalent davon aufweist, zumindest in dem Oberflächenbereich jedes Zahnes, der während des Betriebs am meisten beansprucht wird, nämlich die Zahnfuß-Oberfläche (am Boden jedes Zahnzwischenraums) und der Übergang zwischen der Zahnoberfläche und jede davon ausgehende Zahnflanken-Oberfläche.

Während es nicht gänzlich geklärt ist, welche Art von internen strukturellen Umordnungen innerhalb der oberflächengehärteten Schicht stattfinden, die auf die Behandlung durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung folgen, sind diese derartiger Natur (wie durch metallurgische Analyse, durch Versuch und Betriebserfahrung herausgefunden), daß eine "eingebaute" Druckbeanspruchung in der Oberfläche der Schicht erzeugt wird, wodurch jeder Zahnradzahn leichter der Wirkung von spannungserzeugenden Belastungen widerstehen kann, die sich aus einwirkenden Biegebelastungen auf den Zahn im Betrieb ergeben, d. h. die Ermüdungsbiegeeigenschäften werden in hohem Maße verbessert. Im Effekt weist die oberflächengehärtete Schicht eine integrale "Haut" auf, die die "eingebaute" Druckspannung enthält.

Die vorliegenden Erfindung sieht zur Lösung der Aufgabe außerdem ein Induktionshärtungsgerät zum Härten der Zahnflanken und des Zahnfußbogens von Zähnen eines Zahnrades, um so eine oberflächengehärtete Schicht längs dieser Oberflä-

chen zu erzeugen, vor, welches Gerät folgende Einrichtungen aufweist:

einen elektrisch erregbaren Induktorkopf, der ein äußeres Profil hat, welches im wesentlichen mit demjenigen Zwischenraum zusammenpaßt, der zwischen den Zähnen eines Paares von benachbarten Zahnradzähnen definiert ist;

Mittel zum Bewirken einer relativen Seitenbewegung des Induktorkopfes längs des Zwischenraums, während die vorbestimmten Spielräume zwischen der äußeren Oberfläche des Induktorkopfes und den Zahnfuß- und Zahnflanken- Oberflächen des Paares von Zahnradzähnen aufrechterhalten werden;

einen Tank für ein Kühlmittel, der Mittel zur Montage des Zahnrades aufweist, um dieses vollständig in ein Kühlmittel zu tauchen, wenn der Tank mit diesem Kühlmittel befüllt ist;

Mittel zum Richten von Strahlen des Kühlmittels auf und in den Zwischenraum zwischen den Zähnen des Paares von Zahnradzähnen während der Seitenbewegung des Induktorkopfes.

Vorzugsweise enthält, wenn das Gerät benutzt wird, um die Zähne eines Zahnrades oberflächenmäßig zu härten, der Tank Mittel zur drehbaren Montage des Zahnrades in einer im wesentlichen vertikalen Position, wobei das gesamte Zahnrad und der Induktorkopf in das Tankkühlmittel eingetaucht sind. Der Kühlmitteltank ist in der Lage, eine im wesentlichen isothermale Umgebung während des Härtungsprozesses zu schaffen, was erlaubt, daß das Zahnrad insgesamt eine gleichmäßige Temperatur vor dem Härtungsvorgang erreicht, und auf diese Weise werden nur solche Belastungsspannungen während des Härtungsvorgangs erzeugt, die tatsächlich in den Oberflächenschichten der Zahnradzähne verbleiben.

In dem Verfahren und dem Gerät gemäß der vorliegenden Er-

findung wird bevorzugt, daß das Abkühlen von induktiv erhitzten Oberflächen der Zahnradzähne eine vorbestimmte Stillstandsperiode zwischen dem Ende eines Durchlaufs des Induktorkopfes längs des Zwischenraumes zwischen den Zähnen eines Paares von Zahnradzähnen und dem nächsten Durchlauf längs des Zwischenraumes zwischen den Zähnen des benachbarten Paares von Zahnradzähnen enthält. Das Kühlmittel in dem Tank bewirkt eine weitere Abkühlung der Zahnradzähne und der benachbarten Teile des Zahnrades während dieser Stillstandsperiode. Vorzugsweise können externe Mittel zum Kühlen des Kühlmittels in dem Tank vorgesehen werden.

Am Ende jedes Durchlaufs des Induktorkopfes wird das Zahnrad (manuell oder automatisch unter vorausgewählter Operation der programmierbaren Steuereinrichtungen des Gerätes) weiterbewegt, um so das nächste Paar von Zahnradzähnen in Ausrichtung mit Führungen für den Induktorkopf zu bringen.

Wenn die Zahnradzähne schrägliegend angeordnet sind, wird das Zahnrad gleichzeitig mit der Durchlaufbewegung des Induktorkopfes gedreht, um so konstant die vorbestimmten Spielräume beizubehalten.

Ein insbesondere bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens zur Induktionshärtung eines Zahnrades enthält die im folgenden genannten Einrichtungen :

einen wassergekühlten Induktor, der so konstruiert ist, daß er ein maximales Volumen von Verstärkungssubstanz mit einem minimalen Volumen des elektrischen Leiters kombiniert, so daß die maximale Intensität des Feldes, wo diese erforderlich ist, mit dem Minimum unerwünschter Nebenwirkungen geschaffen wird, wobei die Form des Induktors genauestens profiliert ist, damit dieser in den Zwischenraum zwischen benachbarten Zahnradzähnen mit vorbestimmten Spielräumen zwischen dem Induktor und dem Metall der Zahnradzahnfüße und

der Zahnflanken paßt;

erste Mittel zum genauen Führen des Induktors in den Zwischenraum hinein, längs des Zwischenraums und aus dem Zwischenraum zwischen den ersten zwei benachbarten Zahnradzähnen heraus in den nächsten Zwischenraum zwischen zweiten zwei benachbarten Zahnradzähnen und so fortlaufend um das Zahnrad herum, während fortlaufend die vorbestimmten Spielräume beibehalten werden;
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zweite Mittel, die den ersten Mitteln zugeordnet sind und fortlaufend die Spielräume zwischen dem Induktor und dem Metall des Zahnradzahnfußes und der Zahnflanken während jedes Durchlaufs und über alle Durchläufe aufrechterhalten; 15

Mittel zum Bewegen des Induktors quer zu der Fläche des Zahnradzahns und zum Drehen des Zahnradzahnes entweder unabhängig von oder in Zusammenhang mit der Bewegung des Induktors ;
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Mittel zum progressiven Aufbauen und Abbauen von Wärme in den Zahnradzähnen am Beginn oder Ende jedes Durchlaufs durch die Verwendung von abgeschrägten Einlaufen und Ausläufen jeweils an beiden Enden der Zahnradzähne; 25

Mittel zum Schaffen einer Stillstandsperiode am Ende jedes Durchlaufs;

Mittel zum Liefern elektrischer Energie an den Induktor, wobei die elektrische Engergie eine geeignete Form zum Erzeugen der Wärme durch Induktion in den benachbarten Zahnradzähnen hat;

Mittel zum Liefern von Kühlwasser an demnlnduktor; 35

Mittel zum Erzeugen einer Vielzahl von auf die Zahnradelemente gerichteten Strahlen kalten gefilterten Mine-

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ralöls oder eines anderen nichtwässrigen Abschreckungsmittels zum Zwecke einer kontrollierten Abkühlung der Metalloberflächen, die dem sich bewegenden Induktor benachbart
sind, und der unerhitzten Zahnflanken der Zahnradzähne, die bereits gehärtet sind;

Mittel zum Liefern von gefiltertem, temperaturgeregeltem Öl an eine Vielzahl von Strahldüsen, die dem Induktor
benachbart sind;
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einen Tank, der mit Mitteln ztum Zwecke einer drehbaren Montage eines Zahnrades in einer vertikalen Ebene ausgestattet ist, die von ausreichender Tiefe ist, um zu ermöglichen, daß das drehbar montierte Zahnrad vollständig in das Mineralöl getaucht werden kann;

Mittel zum BefUllen des Tanks mit Mineralöl und zum
Entnehmen und Speichern des Öls, wenn es nicht benutzt wird;

Mittel zum Umlaufenlassen großer Volumina, von Öl innerhalb des Tanks, um im wesentlichen isothermale Bedin-'
gungen um das Zahnrad herum und in dem gesamten Tank zu
schaffen;

Mittel zum Filtern des Öls und zum Regeln der Temperatur des Öls, um im wesentlichen isothermale Bedingungen
innerhalb des Tanks zu erzielen.

Die Mittel zum progressiven Aufbauen oder Abbauen von Wärme in den Zahnradzähnen am Beginn oder Ende jedes Durchlaufs
können alternativ durch Variieren der elektrischen Leistung für den Induktor oder durch Abschrägen der Kanten der Zahnradzähne wirken.

Alternativ dazu können die Mittel zum progressiven Aufbauen oder Abbauen der Wärme in den Zahnradzähnen am Beginn oder Ende des Durchlaufs durch Variieren der Geschwindigkeit der

Bewegung des Induktors wirken, wenn der Induktor in den Zahnzwischenraum eintritt oder diesen verläßt.

Vorzugsweise sind Mittel zum Überwachen der Ströme von Kühlwasser und jedes aus der Vielzahl von Strahlen kühlem gefilterten Öls vorgesehen, um jedweden Fehler zu erfassen und um vorbeugende Maßnahmen zu veranlassen, beispielsweise das Abschalten des Stroms für den Induktor, falls ein solcher Fehler erfaßt werden sollte.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und deren Wirkungsweise wird diese im folgenden anhand der Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Induktionshärtungsprozesses und eines Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2a zeigt eine Ansicht eines Induktorkopfes zur Verwendung in dem Verfahren und in dem Gerät.

Fig. 2b zeigt eine Schnittansicht des Induktorkopfes längs einer Linie A - A in Fig. 2a.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Induktorkopfes in Position in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Zahnradzähnen, welche zu härten sind.

Fig. 4 zeigt eine Projektion von Fig. 3, die eine Draufsieht des Induktorkopfes zwischen benachbarten Zahnradzähnen (die Spitzen der Zähne sind schraffiert dargestellt) zeigt.

Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Induktorkopfes, der gerade in den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Zähnen eines flachen Zahnstangengetriebes eintritt (oder diesen gerade verläßt).

Fig. 6a u. Fig. 6b zeigen Draufsichten von oberen Oberflächen von Induktorköpfen zum Härten von Stirnadzähnen bzw. schrägliegenden Zahnradzähnen.

In Fig. 1 ist ein Zahnrad 1 gezeigt, das drehbar in einem tiefen Tank 2 montiert ist.. Der Tank 2 ist mit einem Kühlmittel zum Ableiten der Warme, die während des Induktionshärtungsprozesses erzeugt ist, gefüllt. Dieses Kühlmittel besteht aus einem Mineralöl 3 oder einem anderen, nichtwässrigen Abschreckungsmittel, das bis zu einem normalen Ölstand, der durch eine gestrichelte Linie 4 angedeutet ist, eingefüllt ist, was bedeutet, daß das Zahnrad 1 vollständig eingetaucht ist. Eine mit Ventilen versehene Zuführungsleitung 5 gestattet, das Öl aus dem Tank 2 zu einem separaten Speichertank (nicht gezeigt) abzuziehen oder zurück in den Tank 2 zu pumpen, wenn dies erforderlich wird.

Eine Rohrleitung 6 gestattet dem Öl, durch eine Pumpe 7 über ein Filter 8, einen Kühler 9 (falls erforderlich) zurück in den Tank 2 umzulaufen. Die Rohrleitung 6 dient zwei Zwecken. Sie gestattet eine fortlaufende Filterung des Mineralöls 3 und bewirkt eine Zirkulation innerhalb des Tanks 2, um die Wärme, die erzeugt wird, auf das gesamte Öl zu verteilen. Falls gefordert, kann eine zusätzliche Zirkulation vorgesehen werden, beispielsweise durch Verwendung eines Rührwerks 14 in dem Tank 2. Der Kühler 9 kann abhängig von der Wärmezufuhr aus einer Induktionsheizanordnung 11 und dem natürlichen Wärmeverlust des Tanks notwendig oder nicht notwendig sein. Falls erforderlich, können thermostatische Regeleinrichtungen zum Regeln des Kühlers 9 benutzt werden.

Die Induktionsheizanordnung 11 ist oberhalb des Tanks 2 angeordnet, wobei ein Induktorkopf lla (Fig.2a u. Fig. 2b) ausreichend weit unterhalb des Ölstands 4 bei dem höchsten Punkt des Zahnrades 1 angeordnet ist. Die Induktionsheizanordnung 11 wird extern mit gefiltertem, kaltem Öl über eine Rohrleitung 10, intern mit Kühlwasser 12 und Energie aus

einer elektrischen Energiequelle 13 versorgt.

Der Induktorkopf 11a ist in Fig. 2a u. Fig. 2b gezeigt. Er hat die allgemeine Form eines rechtwinkligen Prismas mit einem symmetrischen, angenähert dreieckigen Querschnitt, das durch zwei Kupferrohre 20 gehalten wird. Die Kuferrohre 20 führen drei Funktionen aus, nämlich das starre Halten des prismenförmigen Induktorkopfes, das Leiten von elektrischem Strom durch das Metall in den Induktorkopf und aus diesem heraus und das Durchleiten von Kühlwasser über deren Ausbohrungen durch den Induktorkopf. An deren unteren Enden werden die Kupferrohre 20 jeweils in einem hohlen dreieckförmigen Abschnitt 21 gehalten, der aus einer Kupferplatte hergestellt ist. An deren untersten Punkten sind die dreieckförmigen Abschnitte 21 durch ein rechteckförmiges Kupferrohr 23 miteinander verbunden. Auf diese Weise besteht ein elektrischer Durchgangsweg von einem Kupferrohr 20 über die Elemente 21, 23 u. 21 zu dem anderen Kupferrohr 20. Innere Elemente 22 der hohlen dreieckförmigen Abschnitte 21 stehen mit beiden Kupferrohren 20 und dem rechteckformigen Kupferrohr 23 in Verbindung. Auf diese Weise kann Kühlwasser ein Kupferrohr 20 hinunter und über die Elemente 22, 23 u. 22 zu dem anderen Kupferrohr 20 strömen. Der zentrale Abschnitt des prismenförmigen Induktorkopfes lla ist ein Ver-Stärkerelement 24 und ist mit einer geeigneten, "nichtleitenden" Masse, beispielsweise einer dünnen, eisenhaltigen Folienpackung (iron laminate) oder einer vergleichbaren Masse gefüllt.

Diese besondere Konstruktion des Induktorkopfes verwendet ein Minimum an Kupfer für Leitungszwecke (z. B. runde Kupferrohre 20 anstelle von quadratischen) und ein Maximum des Verstärkerelements 24 für ein gegebenes Volumen des Induktorkopf ess. Dies maximiert den lokalisierten Verstärkungseffekt des Verstärkerelements 24, während es das Feld minimiert, welches andererseits die Zahnradspitzen überhitzen würde, d. h. dort, wo die metallischen Abschnitte am dünn-

-19-sten sind.

Ein Kupferformstück 25 ist an dem unteren Rand des rechteckförmigen Kupferrohrs 23 befestigt, und der gesamte Kopf ist derart bearbeitet, daß er ein glattes, gleichförmiges Äußeres aufweist, dessen Konturen im wesentlichen mit denen der Zwischenräume zwischen benachbarten Zahnradzähnen eines bestimmten Zahnrades zusmmenpassen, allerdings mit bestimmten Spielräumen, wie dies im folgenden erklärt wird.

Ein Block aus Isoliermaterial wird dazu benutzt, um den Kupferrohren 20 Steifigkeit zu verleihen, die jeweils in einem Metallblock 27 enden. Diese Metallblöcke 27 können an der Induktionsheizanordnung 11 (Fig. 1) in einer Weise befestigt sein, daß sowohl die elektrische Energie als auch das Kühlwasser in jedes bzw. aus jedem Kupferrohr 20 fließen können.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Durchlaufs eines Induktorkopfes 30 längs des Zwischenraums zwischen benachbarten Zahnradzähnen. Zur besseren Kenntlichmachung sind die Zähne mit A ... E mit separaten Zahnflanken von B und C, die durch Bl, B2, Cl u. C2 bezeichnet sind, gekennzeichnet, und die Zahnfuß-Oberfläche in dem Zwischenraum zwischen den Zahnflanken der Zähne B und C ist durch einen Bogen 36 bezeichnet. Eine Führung 31 wird dazu benutzt, den Induktorkopf 30 relativ zu den Zahnradzähnen sowohl in einer vertikalern als auch in einer horizontalen Ebene örtlich festzulegen. Im einfachsten Fall wurden die Führungen 31 aus zwei Stiften 41, 42 (Fig. 4) mit balligen Enden 32 - einem vor und einem hinter dem Induktorkopf 30 (oder 40 in Fig. 4), wenn sie sich rückwärts und vorwärts aufeinanderfolgend durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Zahnradzähnen bewegen - bestehen. Der Induktorkopf 30 (40) und die Führungen 31 (41, 42) sind örtlich relativ zueinander über deren Zuordnung zu der Induktionsheiζanordnung 11 (Fig. 1) festgelegt. Es ist eine Vorkehrung für eine genaue relativ

vertikale und seitliche Justierung zwischen dem Induktorkopf 30 (40) und den Führungen 31 (41, 42) getroffen, z. B. mittels Ausgleichringen, Feinstellschrauben usw.. Um ein vorgeschriebenes Positionieren des Induktorkopfes 30 sicherzustellen, wird ein leichter Druck ausgeübt, um die balligen Enden 32 der Führungen 31 in Berührung mit den Zahnflanken zu halten, wie dies gezeigt ist (Fig. 3). In dem Maße, wie sich der Induktorkopf 30 bewegt, verschieben sich die balligen Enden 32 der Führungen 31 längs der Zahnflanken, so daß zumindest eine davon stets in Berührung steht, um den Induktorkopf 30 in den Spalt hinein, längs des Spalts und aus dem Spalt heraus zu führen, während genaue Spielräume aufrechterhalten werden (vergl. Fig. 5). Der Induktorkopf (40) kann auf den Kupferrohren 20 unter einem Winkel zur Verwendung mit schräggeschnittenen Zahnrädern angebracht sein. Für quergeschnittene (Stirn-) Zahnräder würde der Induktorkopf die Form eines rechteckigen Prismas (Fig. 2, Fig. 3, Fig.4) haben.

Fig. 6a zeigt eine Draufsicht einer oberen Fläche eines Induktorkopfes 60, der ein rechteckiges Prisma ist, das geeignet ist, eine Oberflächenhärtung längs des Zwischenraums zwischen den Zähnen einemsPaares von Stirnzahnradzähnen 61 und 62 auszuführen. Fig. 6b zeigt einen Induktorkopf 60a, der ein parallelogrammförmiges Prisma darstellt, welches zur Oberflächenhärtungsbewegung längs des Zwischenraums zwischen den Zähnen eines Paares von schräggeschnittenen Zahnradzähnen 63 und 63 geeignet ist.

Die effektive Innengrenze für die im wesentlichen gleichförmige Dicke der induktionsgehärteten Oberflächenschicht (gebildet auf dem Basissubstrat des metallischen Zahnrades) ist durch gestrichelte Linien 33 angedeutet. Wenn sich der Induktorkopf 30 zwischen den Zähnen B und C bewegt, heizt er die Zahnflanken B2, Cl und den eingeschlossenen Zahnfuß gleichzeitig auf. Um den Wärmefluß während des Aufheizens zu steuern und die Wärme mit einer vorbestimmten Geschwindig-

keit nach dem Kühlen abzuführen, werden Strahlen gefilterten kalten Öls 34, 35 (44, 45 Fig. 4) unter einfachen (wie gezeigt) oder zusammengesetzten Winkeln auf die nichterhitzten Zahnflanken Bl und C2 und die Spitzen B3 und C3 der Zähne B und C gerichtetet. Desweiteren werden Strahlen gefilterten kalten Öls 46, 47 (Fig. 4) in den Zahnzwischenraum vor und hinter dem Induktorkopf 40 (30) - wie gezeigt - gerichtet. Die Strahlen 46, 47 können unter einem Winkel wie die · Strahlen 34, 35 auf das Ende des Induktorkopfs 40 (30) oder parallel zu der Zahnradachse längs des Zahnzwischenraums ausgerichtetet sein. Die Strahlen 46, 47 können außerdem abwärts in den Zahnzwischenraum hinein unter einem Winkel zu der Zahnradachse gerichtet sein, um eine Turbulenz zu erzeugen. Die einzelnen einfachen und/oder zusammengesetzten Winkel der Strahlen 44, 435, 46 u. 47 werden durch Experiment bestimmt. Es ist wichtig, einen Kontakt des Kaltölstroms mit der metallischen Oberfläche herzustellen, und dies bedeutet, daß Wege für das Abführen des erhitzten Öls zur Verfügung stehen müssen und nicht durch die Einströmung von den Strahlen her "blockierfwerden dürfen.

Das gefilterte kalte Öl wird der Induktionsheizanordnung 11 (Fig. 1) durch die Rohrleitung 10 zugeführt, und es wird auf Düsen für die Strahlen 44, 45, 46 u. 47 gerichtet. Diese Düsen sind relativ zu dem Induktorkopf 40 und den Führungen 41, 42 festgelegt, so daß sich das Ganze als eine voreingestellt Einheit bewegt. Das Kühlwasser 12 und die elektrische Energie 13 (Fig. 1) werden der Induktionsheizanordnung 11 und anschließend über die Kupferrohre 20 (Fig. 2) dem Induktorkopf 40 zugeführt. Die Induktionsheizanordnung 11 enthält eine Einrichtung zum Durchlaufenlassen des Induktorkopfes und seiner zugeordneten Einrichtungen, bestehend aus den Führungen 41, 42 und den Düsen für die Strahlen 44, 45, 46 u. 47, und zum Steuern der elektrischen Energie 13, des Kühlwassers 12 und des Kühlöls durch die rohrleitung 10. Vorzugsweise sind Abschaltabschnitte vorgesehen, um das Gerät gegen Fehler entweder bei den Kühlölstrahlen oder dem

Kühlwasserfluß schützen zu können. Es werden Servomechanismen benutzt, die Mikroschalter verwenden, welche in die Führungen 41, 42 (31) eingesetzt sind, um die Durchlaufbewegung des Induktorkopfes 30 längs des Zahnzwischenraums zu steuern. Wenn schräggeschnittene Zanradzähne oberflächengehärtet werden, wird eine Drehung des Zahnrades 1 (Fig. 1) gleichzeitig mit dem Durchlauf des Induktorkopfes gesteuert.

Die Induktionsheizanordnung 11 kann außerdem durch eine geeignet programmierte Steuereinrichtung gesteuert werden, um alle Zähne nacheinander rund um das gesamte Zahnrad zu härten.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Gesamtheit des Induktionskopfes 11a, d. h. die Gesamtheit von Fig. 2, mit dessen zugeordneten Einrichtungen, nämlich den Führungen 41, 42 und den Düsen für die Strahlen 44, 45, 46 u. 47, in das Öl 3 in dem Tank 1, d. h. unter den Ölstand 4, getaucht wird.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie der Induktorkopf 30 die Zahnflanken B2, Cl behandelt. Aufgrund der Wärmeleitung durch den Zahn B und ungeachtet des Kühlens durch den Ölstrahl 34 tritt ein Aufheizen der bereits gehärteten Schicht 33 der Zahnflanke Bl auf. Dies führt zu einem "Zurücktempern" (back tempering) der Zahnflanke Bl. In Anwendungsfällen für Hochleistungs-Schiffsantriebe sind die Rückwärtskraft-Anforderungen üblicherweise geringer als die Vorwärtskraft-Anforderungen. Das Zahnrad 1 ist daher in dem Tank 2 in einer Weise montiert, daß die Zahnflanken A2, B2, C2 usw. unter Last stehen, wenn eine Vorwärtskraft übertragen wird, und die Zahnflanken Al. Bl, Cl usw. unter Last stehen, wenn eine Rückwärtskraft übertragen wird. Es sei angemerkt, daß wenn der Induktorkopf 30 seinen letzten Durchlauf vollführt, eine Vorderflanke, z. B. C2, wie in Fig. 3 gezeigt, "zurückgetempert" wird und eine Rückflanke, z. B. Cl, voll gehärtet wird. Die Parameter des Härtungsprozesses sind jedoch bereits so ausgewählt, daß die "zurückgetemperte" Vorderflanke

-23-zumindest die Konstruktionsanforderungen erfüllt.

Um Zahnhärten zu erzielen, die von Zahnrad zu Zahnrad vorherbestimmbar sind und innerhalb eines Zahnrades gleichartig sind, sind die folgenden Parameter von Wichtigkeit:

(i) ausreichende mechanische und metallurgische Eigenschaften des Materials für die Zahnradzähne,

(ii) die Menge, die Gleichförmigkeit und die Verteilung der Wärme in Zahn und Zahnfuß,

(iii) der Grad der Abkühlung,
(iv) die Wirkung der "Rücktemperung".

Die Anforderungen an die oben genannten Parameter wurden durch Forschung und Experiment bestimmt. Die wichtigen Eigenschaften dieser Parameter werden nachstehende im einzelnen erläutert.

(i) Material der Zahnradzähne

Der Stahl, der ausgewählt wird, muß ausreichende mechanische Eigenschaften und eine geeignete chemische Zusammensetzung aufweisen.

(ii) Menge, Gleichförmigkeit und Verteilung der Wärme in Zahn und Zahnfuß

Um festgelegte, gleichartige Ergebnisse zu erzielen, muß die Temperatur jedes Zahnes am Beginn jedes Durchlaufs gleich sein. Auf diese Weise wird am Ende jedes Durchlaufs, wenn der Induktorkopf und die Führung 41 oder 42 sich vollständig aus dem Zahnradzwischenraum bewegt haben, die Energiezufur zu dem Induktoraufbau ausgeschaltet, und der Tnduktorkopf «30 "pausiert" für eine vorbestirnmte ZeiLperLodc. Diese S 1.1.11-

standszeit erlaubt der Wärme, die in dem vorhergehenden Durchlauf erzeugt und in das Zahnrad 1 geleitet wird, in das Öl und weiter über die Pumpe 7 und den Kühler 9 zu entweichen. Die Pumpe 7 (und das Rührwerk 14, falls dies vorgesehen ist) hält bzw. halten eine beträchtliche Strömung aufrecht, um das Öl 3 durch und durch gemischt zu halten und um die Pausenzeit zu minimieren. Indessen wird angestrebt, daß das Verfahren sogar dann zufriedenstellend durchgeführt wird, wenn keine vorbestimmte Stillstandsperiode vorgesehen wird, vorausgesetzt, daß ein ausreichend wirksamer Kühlungsvorgang während jedes Durchlaufs durch Erhöhen der Kühlmittelzuführungsrate und/oder der Anzahl von Strahlen an dem Ort des Induktorkopfes 30 stattfindet.

Es ist eine besondere Wärmeeingangsmenge erforderlich, um die Metalltemperatur auf den vorbestimmten Wert anzuheben. Die Menge der Wärme wird bestimmt durch:

(a) Spannung, Stromstärke und Frequenz der elektrischen Energie in dem Induktorkopf 30,

(b) Dauer der Aufheizung, d. h. Länge des Induktorkopfes 30 und dessen Bewegungsgeschwindigkeit durch den Zahnradzwischenraum,

(c) projizierte Fläche des Induktorkopfes auf die Zahnflanken, d. h. Länge und Höhe des Kopfes,

(d) Spielräume zwischen dem Induktorkopf 30 und dem Zahnfuß und zwischen dem Induktorkopf 30 und den Zahnflanken der Zahnradzähne.

Für jede spezielle Zahnradzahngröße werden Faktoren a, b u. c vorbestimmt und ein Faktor d verwendet, um den genauen Betrag der Wärme, die in das benachbarte Metalleintritt, zu regeln.

Um die geforderte Oberflächenmetalltemperatur zu erzielen, muß mehr Wärme an dem Zahnfuß als an den Zahnflanke eingegeben werden. Dies ist deswegen der Fall, weil die Masse des Metalls an dem Zahnfuß größer ist, wodurch konsequenterweise ein größerer Wärmeverlust aufgrund der Wärmeleitung gegeben ist, als dies bei der Zahnflanke oder nahe der Spitze der Fall ist. Um dies zu ermöglichen, wird das Profil des Induktorkopfes 30 sorgfältig variiert, so daß sich der Spielraum zwischen dem Induktorkopf 30 und dem Metall des Zahnrades progressiv von einem Minimum nahe dem Zahnfuß und längs der Zahnflanke erhöht. Diese Profilgebung wird sorgfältig ausgeführt, so daß sich die Wärme, die in dem Metall erzeugt wird, an die sich ändernden thermischen Anforderungen anpaßt, um eine im wesentlichen konstante Temperatur in der Oberflächenschicht 33 einzustellen. Bei dem Zahnfuß wird ein enger gleichförmiger Spielraum über den Bogen 36 (Fig. 2) eingehalten, um den maximalen Eingang von Wärme in das Metall sicherzustellen. Von den Enden des Bogens 36 aufwärts längs der Zahnflanken vergrößert sich der Spielraum progressiv, so daß sich die Rate des Wärmeeingangs progressiv in Richtung auf die Spitze verringert. Der Induktorkopf 30 endet bei einem vorbestimmten Abstand unterhalb der Spitze, so daß ein Überhitzen an der Spitze nicht auftritt. Die Kupferrohre 20 kleinen Durchmessers, die auf der Achse des Induktionskopfes 11a (Fig. 2b) angeordnet sind, werden als die Eingangs/Ausgangs-Leiter benutzt, um die Induktion von Streuströmen nahe den Spitzen der Zahnradzähne zu minimieren. Ein übermäßiger Wärmeeingang an der Spitze kann zu einer übermäßigen Härte und durch Eindringen zu der Möglichkeit eines Sprödbruchs und/oder eines Abblätterns führen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Höhe des Induktorkopfes beträchtlich geringer als die (radiale) Tiefe des Zwischenraums zwischen dem Zahnfuß und den Spitzen von zwei benachbarten Zahnradzähnen. Dies ist ein sehr wichtiger Aspekt des Verfahrens und des Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung,

nämlich dahingehend, daß dies zur Vermeidung eines übermäßigen Wärmeaufbaus an den Spitzen der Zahnradzähne beiträgt, der bei bekannten Induktionshärtungstechniken auftreten kann, in denen ein Induktorkopf oder ein Leiter benutzt wird, der größer, nämlich radial vorstehend von dem Zwischenraum zwischen den Zahnradzähnen ist. Typischerweise beträgt in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Höhe des Induktorkopfes zwischen der Hälfte und sieben Achteln der Tiefe des Zahnradzahnzwischenraums.

Ein ungleichförmiger Wärmeeingang könnte außerdem an den Rändern der Zähne auftreten, wenn der Induktorkopf 30 am Beginn oder am Ende eines Durchlaufs in einen Zahnzwischenraum eintritt oder diesen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Erreichen eines gleichförmigen Aufheizens längs des belasteten Abschnitts der Zahnradzähne ist in Fig. 5 gezeigt. Hier ist ein Induktorkopf 50 gerade dabei, in den Spalt zwischen benachbarten Zähnen eines flachen Zahnstangengetriebes 50a einzutreten. Eine Führung 51 ist bereits in einen nahen Zwischenraum eingetreten und verschiebt sich längs Flanken 53 der Zähne, um den Induktorkopf 50 genau zu positionieren. An den Endflächen der Zähne ist ein abgeschrägter "Einlauf" 54 vorgesehen. Der Einlauf 54 der Zahnstange ist k eine lasttragende Fläche und wird nur dazu benutzt, den Wärmeaufbau bis zu der gewünschen Höhen zu gestatten, so daß zu der Zeit, zu der der Induktorkopf 50 den belasteten Abschnitt 55 der Zahnstange erreicht, eine Gleichförmigkeit der Temperatur über die Flächenschicht hinweg (Fig. 3) erreicht worden ist. Ein ähnlich abgeschrägter Auslauf (nicht gezeigt) ist an der anderen Fläche der Zahnstange vorgesehen.

Nachdem eine hintere Führung 52 (oder 51) einen Auslauf verläßt, kann die Energiezufuhr ausgeschaltet werden, und der Induktorkopf 50 kann für eine vorbestimmte Periode "pausieren", um der in dem vorhergehenden Durchlauf erzeugten Wärme zu gestatten, abzufließen. Die Zahnstange wird um

einen Schritt vor dem Starten des nächsten Durchlaufs weiterbewegt.

Wenn ein abgeschrägter Einlauf (Auslauf) nicht vorgesehen werden kann, kann ein übermäßiger Hitzeaufbau an den Zähnen entweder durch progressives Erhöhen der Energie -in dem Induktorkopf 50, wenn dieser in die Zahnstange eintritt, oder durch schnelles Bewegen des Induktorkopfes 50 in Richtung auf die Zahnstange und eine progressive Verlangsamung, wenn dieser in Zahnzwischenraum eintritt, so daß er eine normale Geschwindigkeit erreicht, wenn die Gesamtheit des Induktorkopfes in den Zahnzwischenraum eingetreten ist, kontrolliert werden. Beim Verlassen des Zahnzwischenraums würde der Verfahren umgekehrt ablaufen.

(iii) Grad der Kühlung

Die Abkühlrate beeinflußt in kritischer Weise die Härte. Allgemein gilt, daß je schneller die Abkühlung erfolgt, im Ergebnis das Metall desto härter ist. Indessen führt eine übermäßige Härte zu Oberflächenspannungen, die dazu führen können, daß das Metall brüchig wird. Von Brüchigkeitsfehlern sind bekannt, daß sie bei induktionsgehärteten Zahnrädern auftreten, die mit Wasser oder mit wasserhaltigen Ölen gekühlt werden. Aus diesem Grunde wird das Mineralöl oder irgendein anderes geeignetes nichtwässriges Abschreckungsmittel als Kühlmittel in dem Verfahren und in dem Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.

Das Ideal für Zahnradzähne ist eine verhältnismäßig dicke gehärtete Oberflächenschiht 33 (Fig. 3), die einen bestimmten Grad von Biegsamkeit besitzt, so daß dann, wenn die Zähne belastet werden, sowohl das Substratmetall als auch die gehärtete Oberfläche sich zusammen verformen können.

Dies kann durch Induktionserhitzung und ein relativ schnelles Abkühlen mit Mineralölstrahlen anders als durch Abschrecken mit Wasser oder wasserhaltigen Ölen erreicht wer-

den. Ha das Zahnrad 1 vollständig in Mineralöl untergetaucht ist, kann es einen gleichförmige isothermische Zustand unbeeinflußt durch Tag- oder Nachtemperaturübergänge erreichen. Auf diese Weise verbleiben nur solche Spannungen, die während des Härtens erzeugt werden, tatsächlich in dem Zahnrad. Wenn das Zahnrad vollständig in Öl eingetaucht ist, fließt alle durch die Härtung entstandene Wärme schnell entweder direkt zu dem Öl oder durch direkte Leitung in das Metall und dann zu dem Öl ab.
10

(iv) Wirkung des "Rücktemperns"

Das "Rücktempern" ist bei Induktionshärtung durch den Zahnfür-Zahn-Verfahren unvermeibar, jedoch werden seine Wirkungen durch folgende Umstände minimiert:

(a) Eintauchen des gesamten Zahnrads in Öl, um eine maximal erreichbare Wärmesenke zu schaffen.

(b) Benutzung von auf das Metall gerichteten Ölstrahlen auf das Metall, insbesondere 34 (44), jedoch auch 46 u. 47.

(c) die Pausenzeit am Ende jedes Durchlaufs, um den Abzug aller Wärme, die während des vohergehenden Durchlaufs erzeugt worden ist, zu gestatten.

(d) die Konstruktion des Induktorkopfes und dessen Bewegungsgeschwindigkeit, die nur der erforderlichen Menge von Wärme gestattet, in die benachbarte Oberflächenschicht der Zähne einzutreten, d. h. es entsteht keine übermäßige Hitze, die für ein Rücktempern verfügbar wäre.

Die Ergebnisse des Verfahrens, das zuvor beschrieben worden ist, zeigen, daß durch methodische innovative Arbeit und Beachtung der Details induktionsgehärtete Zahnräder erzeugt werden können, die besser als irgendwelche verfügbaren aus anderen Induktionshärtungsverfahren sein können. In diesem

Zusammenhang bedeutet Leistungsfähigkeit Belastungskapazität und Zuverlässigkeit. Dieses Verfahren wurde über eine ausgedehnte Periode mit Hilfe von Zahnrädern entwickelt, die vergleichend mit solchen untersucht wurden, die durch andere Verfahren hergestellt wurden. Zahnräder, die durch dieses Verfahren hergestellt wurden, wurden ebenfalls auf Fehler hin untersucht, sofern dies möglich war.

Am Ende jedes Durchlaufs des Induktorkopfes (während der Pausenperiode), wird das Zahnrad weiterbewegt, um das nächstbenachbarte Paar von Zahnradzähnen in Ausrichtung mit dem Induktorkopf und den Führungen zur Bereitstellung für einen folgenden Durchlauf zu bringen. Diese Weiterbewegung ist eine kleine Winkelbewegung im Falle eines Zahnrades oder eine begrenzte lineare Bewegung im Falle beispielsweise einer Zahnstange. Sie kann nmanuell ausgeführt oder automatisch durch eine geeignete Auswahl einer programmierbaren Steuerung des Geräts gesteuert werden.

Die sorgfältige Einstellung der Parameter des Verfahrens stellt eine einwandfreie Erzeugung von Zahnradzähnen mit einer oberflächengehärteten Schicht ausreichender Tiefe und einem wirksamesnNetz innerer, "eingebauter" Druckbelastungen in den Zahnoberflächen, d. h. in dem Teil der oberflächengehärteten Schicht, die am nächsten bei der Arbeitsfläche jedes Zahnes liegt bzw. diese beinhaltet, sicher. Auf diese Weise erstreckt sich die oberflächengehärtete Schicht um den Zahnfußbogen durch den Übergang zwischen dem Zahnfußbogen und die Zahnflankenoberflächen, d. h. über die Auskehlung (welche die üblicherweise am höchsten belastete Zone eines Zahnradzahnes im Betrieb ist) und vorzugsweise außerdem längs der Zahnflanken. Die Erzeugung von Druckbeanspruchungen ist kritisch und ist analog zu der Erzeugung einer Vorspannung in Beton.

Wenn ein Zahnradzahn belastet wird, wird er geringfügig ausgelenkt, wodurch relativ kleine Zugspannungen und Druck-

spannungen in den Spitzen und Flanken des Zahnesund relativ große Zugspannungen und Druckbeanspruchungen in den Zahnfüßen an jeder Seite und in den Übergangsbereichen zwischen den Zahnfüßen und den Zahnflanken (d. h. in den Zahnfuß-Auskehlungen) entstehen. Falls eine Zugspannung bereits in den Metalloberflächen nach dem Härten vorhanden ist (wie dies bei bestehenden Oberflächenhärtungs-Techniken auftreten kann), wirkt eine aufgrund einer Biegung zugeführte Zugspannung additiv, und es kann bald zu einem Ausfall kommen. Falls indessen eine interne Druckbeanspruchung, z. B. in den Zahnfüßen oder in den Zahnfuß-Auskehlungen besteht, wirken eine Zugspannung aufgund einer Biegung und die interne Druckspannung additiv im algebraischen Sinne. In dieser Situation kann eine beträchtlich höhere Belastung durch die Zähne aufgenommen werden, bevor die Zugspannung aufgrund einer Biegung die interne Druckbeanspruchung überwiegt und die Zugspannungsfestigkeit überschreitet, um einen Ausfall zu verursachen, d. h. es liegt eine wesentliche Verbesserung in den Ermüdungsbiegungseigenschaften der Zahnradzähne vor. 20

Das genaue Wesen der molekularen Reorientierung, die innerhalb der'oberflächengehärteten Schicht 33 stattfindet, ist nicht restlos klar, es wird jedoch vermutet, daß diese wirksam das Ä'qivalent zu einer "eingebauten" Druckbeanspruchung in den Arbeitsoberflächen der Zähne erzeugt. Auf diese Weise ist die "eingebaute" Druckbeanspruchung in der Arbeitsfläche jedes der Zahnradzähne enthalten, und zwar in einer integralen "Haut" (33a, Fig. 3) der Schicht 33 ist. Zahnradzahnausfall unter der Einwirkung der Zufügung von Ermüdungsbiegespannungen ist üblicherweise eine Form von Zugspannungsausfall des Zahnes, der an der Zahnfuß-Auskehlungsoberfläche beginnt. Versuche haben gezeigt, daß Zahnradzähne , die durch das Verfahren und das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung oberflächengehärtet wurden, in der Lage waren, zuverlässiger als ähnliche Zahnradzähne, die durch bestehende Induktionshärtungs-Technik oberflächengehärtet wurden, zuarbeiten. Es wird vermutet, daß sich diese

ausgezeichneten Betriebseigenschaften wirksam vermöge des Einbauens einer Druckbeanspruchung in die Oberflächenschicht der gehärteten Teile ergeben. Im Betrieb muß, wenn dem Zahnradzahn eine intermittierende Biegelast zugeführt wird, diese eingebaute Druckbeanspruchung überwunden werden, bevor irgendeine Netto-Zugspannung auf die Zahnradzahn-Oberfläche einwirkt.

Obgleich diese Beschreibung anhand von Zahnradzähnen gegeben worden ist, können andere metallische Komponenten, die regelmäßige Formen haben, in gleicher Weise gehärtet werden.

Andere Modifikationen als der Verfahren, der beschrieben worden ist, sind für den FAchmann ersichtlich und fallen alle in den Schutzbereich der zuvor beschriebenen Erfindung.

Claims (10)

VICKERS SHIPBUILDING & ENGINEERING LIMITED Barrow Engineering Works P.O.Box 12 Barrow-in-Furness Cumbria LA14 1AF Großbritannien Ansprüche:

1. Verfahren zur Induktionshärtung der Zahnflanken- und Zahnfuß-Oberflächen von Zähnen, insbesondere von Zahnrädern, um eine oberflächengehärtete Schicht längs dieser Oberflächen herzustellen, welches Verfahren folgende Schritte enthält:

1) Veranlassen einer relativen Seitenbewegung eines elektrisch erregbaren Induktorkopfes längs des Zwischenraums zwischen benachbarten Zahnradzähnen, wobei der Induktorkopf ein äußeres Profil hat, das im wesentlichen mit dem Profil des Zwischenraums, der zwischen den Zahnradzähnen definiert ist, übereinstimmt;

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2) Führen der Seitenbewegung des Induktorkopfes, um auf diese Weise vorbestimmte Spielräume zwischen der äußeren

Oberfläche des Induktorkopfes und den Zahnfuß- und Zahnflanken-Oberflächen des betreffenden Paares von Zahnradzähnen aufrechtzuerhalten, wobei der Spielraum ein Minimum zwischen dem Induktorkopf und der Zahnfuß-Oberfläche ist und sich in vorbestimmter Weise längs den Zahnflanken-Oberflächen in einer Weise ändert, durch die ein Erhitzen längs der Zahnflanken- und Zahnfuß-Oberflächen auf eine im wesentlichen gleichförmige vorbestimmte Temperatur erreicht wird, die für eine Induktionshärtung geeignet ist;

3) Richten von Strahlen eines Kühlmittels auf die Oberflächen der unerhitzten Zahnflanken, der Zahnspitzen, der erhitzten Zahnflanken und der Zahnfüße des Paares von Zahnradzähnen, um so eine relativ schnelle Abkühlung dieser Oberflächen zu erzielen,

dadurch gekennzeichnet , daß

a) das gesamte Zahnrad (1) in einen Tank (2) mit einem Kühlmittel (3) eingetaucht wird;

b) das Kühlmittel (3) Öl oder ein anderes nichtwässriges Abschreckungsmittel ist;

c) die Höhe des Induktorkopfes (lla) kleiner als die Tiefe des Zwischenraums zwischen den Zahnfuß- (36) und Zahnspitzen- (B3, C3) Oberflächen jedes Paares von Zahnradzähnen ist;

d) Arbeitsparameter (i), nämlich die vorbestimmten Spielräume, (ii), nämlich die Höhe der elektrischen Energie, die zugeführt wird, und die Geschwindigkeit der Seitenbewegung des Induktorkopfes (Ha), und (iii), nämlich der zeitliche Verlauf der Abkühlung, in einer Weise gesteuert werden, daß eine im wesentlichen gleichförmige Dicke einer oberflächengehärteten Schicht (33) von Zahnspitze zu Zahnspitze (B3, C3) längs der Zahnflanken- (B2, Cl) und Zahn-

—ο"—

fuß-Oberflachen (36) des Paares von Zahnradzähnen (B, C) gebildet wird, welche oberflächengehärtete Schicht eine interne Struktur hat, die das Äquivalent einer eingebauten Druckbeanspruchung in deren Oberfläche (33a) zumindest in dem Bereich jeder Zahnfuß-Oberfläche (36) und deren Übergang zu den Zahnflanken-Oberflächen (B2, Cl) darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zahnrad ein solches Zahnrad (1) ist, das im wesentlichen vertikal in dem Tank (2) montiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abkühlung der induktiv erhitzten Oberflächen (B3, B2, 36, Cl, C3) eine vorbestimmte Stillstandsperiode zwischen dem Ende eines Durchlaufs des Induktorkopfes (lla) längs des Zwischenraums zwischen den Zahnradzähnen eines Paares von Zahnradzähnen (B, C) und dem nächsten Durchlauf längs des Zwischenraums zwischen den Zahnradzähnen eines benachbarten Paares von Zahnradzähnen (C, D) vorsieht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Zahnrad (1) an dem Ende jedes Durchlaufs des Induktorkopfes (Ha) weiterbewegt wird, um so das nächste Paar von Zahnradzähnen (C, D) in Ausrichtung mit einer Führung (31, 32) für den Induktorkopf (Ha) zu bringen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zahnrad schrägliegende Zahnradzähne (63, 64) hat und daß das Zahnrad (l) gleichzeitig mit der Durchlaufbewegung des Induktorkopfes (60a) bewegt wird, um so konstant die geforderten vorbestimmten Spielräume aufrechtzuerhalten.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

durch gekennzeichnet , daß jeder Zahn des Zahnrades (50) an jedem Ende davon einen abgeschrägten Einlauf (54) hat.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmittel (3) Mineralöl ist.

8. Induktionshärtungsgerät zum Härten der Zahnflanken und des Zahnfußbogens von Zähnen eines Zahnrades, um so eine oberflächengehärtete Schicht längs dieser Oberflächen zu erzeugen, welches Gerät folgende Einrichtungen aufweist:

einen elektrisch erregbaren Induktorkopf (lla), der ein äußeres Profil hat, welches im wesentlichen mit demjenigen Zwischenraum zusammenpaßt, der zwischen den Zähnen eines Paares von benachbarten Zahnradzähnen (B, C) definiert ist;

Mittel (31, 32) zum Bewirken einer relativen Seitenbewegung des Induktorkopfes (30) längs des Zwischenraums, während die vorbestimmten Spielräume zwischen der äußeren Oberfläche des Induktorkopfes und den Zahnfuß- (36) und Zahnflanken- (B2, Cl) Oberflächen des Paares von Zahnradzähnen (B, C) aufrechterhalten werden; 25

einen Tank (2) für ein Kühlmittel, der Mittel zur Montage des Zahnrades (1) aufweist, um dieses vollständig in ein Kühlmittel (3) zu tauchen, wenn der Tank mit diesem Kühlmittel befüllt ist;
30

Mittel (34, 35) zum Richten von Strahlen des Kühlmittels auf und in den Zwischenraum zwischen den Zähnen des Paares von Zahnradzähnen (B, C) während der Seitenbewegung des Induktorkopfes.
35

9. Induktionshärtungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Induktorkopf (Ha) eine

Höhe hat, die kleiner als die Tiefe des Zwischenraums zwischen der Zahnfuß-Oberfläche (36) und den Zahnspitzen (B3, C3) des Zwischenraums ist, der zwischen den Zähnen jedes Paares von Zahnradzähnen (B, C) definiert ist. 5

10. Induktionshärtungsgerät nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichn t, daß der Induktorkopf (30) eine Höhe hat, die zwischen der Hälfte und sieben Achteln der Tiefe des Zahnradzahn-Zwischenraums beträgt.