DE69431291T2

DE69431291T2 - Apparat und verfahren zum induktionshärten von maschinenkomponenten

Info

Publication number: DE69431291T2
Application number: DE69431291T
Authority: DE
Inventors: R. Chaplin; M. Storm
Original assignee: Contour Hardening Inc
Current assignee: Contour Hardening Inc
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2014-02-09
Also published as: CZ9502012A3; CA2155308C; EP0682851B1; EP0682851A4; DE69431291D1; WO1994018808A1; JPH08506142A; EP0682851A1; RU2150796C1; BR9405718A; CN1120382A; KR100225830B1; US5360963A; CA2155308A1; CN1066904C; AU6172094A; KR960701578A; ES2181712T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Technologie des Induktionserhitzens und insbesondere die Verwendung des Induktionserhitzens für das Einsatzhärten von Maschinenbauteilen wie Zahnrädern.
Maschinenbauteile wie Zahnräder, Keilwellen und Kettenräder sind häufig hohen Drehmomentlasten, Reibungsverschleiß und Stoßlasten unterworfen. Die Zahnräder treffen während des normalen Betriebs bei einer Kraftübertragung beispielsweise auf jede dieser Kräfte während des normalen Betriebs. Bei einer typischen Zahnradherstellungsanlage folgt auf die spanabhebende Bearbeitung der Zahnradzähne eine Wärmebehandlung, um diese zu härten. Die Wärmebehandlung von Zahnrädern kann viele unterschiedliche Arbeitsgänge umfassen, die alle den gemeinsamen Zweck oder das einzige Ziel haben, eine Mikrostruktur mit bestimmten optimalen Eigenschaften herzustellen. Das Härtungsverfahren deformiert bzw. verbiegt jedoch oft die Zahnradzähne, was zu einer verringerten und unterschiedlichen Qualität führt.
Um diese Probleme, die mit der herkömmlichen Wärmebehandlung verbunden sind, zu vermeiden, und die Fähigkeit des Maschinenbauteils (Zahnrads), den vorstehend erwähnten Lasten und Verschleißkräften zu widerstehen, zu verbessern, wird dem Grund- bzw. Ausgangsmetall durch selektives Härten eine gehärtete Außenhaut verliehen. Auf diese Weise wird nur die äußere Fläche verändert und das Grundmetall behält seine wünschenswerten Eigenschaften wie Festigkeit und Verformbarkeit.
Eine Technik des selektiven Härtens dieser Außenhaut bei solchen Maschinenbauteilen wie Zahnrädern ist das einzelne Induktionshärten der Zahnradzähne. Eine weitere Härtungstechnik, die auch selektiv ist, ist ein Verfahren, das als selektives Aufkohlungshärten bezeichnet wird. Einzelzahn- Induktionshärten wird mit einem geformten Verstärker durchgeführt, der in dem Zahnradzahnraum hin und her schwingt. Dies erfolgt üblicherweise derart, daß das Zahnrad in die Abschreckflüssigkeit eingetaucht wird. Das Verfahren ist relativ langsam, da nur ein Zahnradzahn gleichzeitig bearbeitet wird. Das selektive Aufkohlungshärten ist das am meisten verbreitet verwendete Verfahren, und das Verfahren umfaßt das Abdecken der Flächen, die gegen das Aufkohlungshärten geschützt werden sollen, mit einem Material, das den Durchgang der Aktivkohle während des Ofenbetriebs verhindert. Das am weitesten verbreitete Verfahren zum Blockieren der Kohleaktivität ist Kupferplattieren. Ein Zahnrad wird auf allen Flächen außer den Zähnen mit Kupfer plattiert und dann aufkohlungsgehärtet. Das Teil wird dann von Kupfer befreit, fertig spanabhebend bearbeitet, erneut auf der ganzen Fläche mit Kupfer plattiert, im Ofen gehärtet und abgeschreckt.
Die Schwierigkeiten und Kosten des Aufkohlungshärtungsverfahrens haben Firmen dazu veranlaßt, alternative Techniken, wie das Induktionserhitzen, zum selektiven Einsatzhärten in Erwägung zu ziehen, dies jedoch in einem größeren Maßstab im Gegensatz zu dem Einzel zahnverfahren. Das US-Patent Nr. 4,675,488, das am 23. Juni 1987 für Mucha et al. erteilt wurde, offenbart eine Abänderung des vorstehend beschriebenen Einzelzahnverfahrens, bei dem das Verfahren ein induktives Erhitzen und dann Abschreckhärten einiger Zähne gleichzeitig umfaßt, während die übrigen Zähne zum des Verhinderns der Beeinträchtigung von zuvor gehärteten Zähnen gekühlt werden (Spalte 1, Zeilen 55 bis 65). Während alle Zähne letztlich induktionsgehärtet werden, sind die Induktoren sehr komplex und teuer. Das Patent von Mucha et al. erwähnt auch den Versuch von anderen, der mehrere Jahre dauerte, eine Einrichtung zum Induktionshärten der äußeren Umfangsflächen von Zahnrädern zu entwickelt unter Verwendung eines umgebenden Induktors, so daß die Zahnräder mittels des Induktors behandelt werden können und dann sofort danach abschreckgehärtet werden, um das gewünschte Einsatzhärten auf der äußeren Oberfläche des Zahnrads zu bewirken. Die von dem Patent von Mucha et al. vorgeschlagene Lösung beseht darin, zwei Induktionsheizspulen vorzusehen, wobei das Werkstück konzentrisch in der ersten Induktionsheizspule liegt. Die erste Spule wird mit dem ersten Wechselfrequenzstrom während eines festgelegten Zeitraums erregt. Nach der Entregung erfährt das Werkstück eine Zeitverzögerungsperiode und danach wird die erste Induktionsheizspule erneut mit einer zweiten Wechselfrequenz während eines weiteren festgelegten Zeitraums erregt, der beträchtlich kürzer als der erste Zeitraum mit der ersten Wechselfrequenz ist. Am Ende dieses zweiten Zeitraums wird das Werkstück sofort in die zweite Induktionsheizspule auf konzentrische Weise überführt und erfährt eine zweite Zeitverzögerung. Nach diesem Schritt wird die zweite Induktionsheizspule mit einem Radiofrequenzstrom während eines dritten Zeitraums erregt und die Außenoberflächen werden sofort dadurch abgeschreckt, daß eine Abschreckflüssigkeit gegen die Flächen gesprüht wird, während sich das Werkstück in der zweiten Induktionsheizspule befindet.
Vor mehreren Jahren wurde eine Dualfrequenzanordnung für das Induktionserhitzen beschrieben, wobei ein Niederfrequenzstrom zum Vorheizen der Zahnradzähne verwendet wird und dann kann ein Hochfrequenzstrom (Radiofrequenzstrom) für das endgültige Erhitzen vor dem Abschreckhärten verwendet werden. Diese Dualfrequenzanordnung wird in gewissem Umfang von dem vorstehend beschriebenen Patent von Mucha et al. verwendet. Dieses Dualfrequenzkonzept wurde auch von den Erfindern der vorliegenden Erfindung in ihrem Artikel mit dem Titel "Induction Gear Hardening by the Dual Frequency Method" beschrieben, der in der Zeitschrift Heat Treating, Band 19, Nr. 6 erschien, die im Juni 1987 veröffentlicht wurde. Wie sie in ihrem Artikel beschreiben verwendet das Prinzip des Dualfrequenzerhitzens sowohl Hochfrequenz- als auch Niederfrequenz-Wärmequellen. Das Zahnrad wird zunächst mit einer Quelle mit relativ niedriger Frequenz (3 bis 10 kHz) erhitzt, die die Energie liefert, die zum Vorerhitzen der Masse der Zahnradzähne erforderlich ist. Auf diesen Schritt folgt sofort das Erhitzen mit einer Quelle mit hoher Frequenz im Bereich von 100 bis 300 kHz in Abhängigkeit von der Größe des Zahnrads und der diametralen Teilung. Die Quelle mit hoher Frequenz erhitzt die gesamte Zahnumrißfläche schnell endgültig auf eine Härtungstemperatur. Das Zahnrad wird dann auf eine gewünschte Härte abgeschreckt und getempert.
Das Dualfrequenzerhitzen ist die schnellste bekannte Art des Erhitzens eines Zahnrads. Die Erhitzungszeiten liegen im Bereich von 0,14 bis 2,0 Sekunden. Dies steht beispielsweise im Vergleich zu 4 bis 30 Minuten, die ein Laser braucht, um ein Zahnrad Zahn für Zahn abzutasten. Bei dem Dualfrequenzerhitzen wird das sich schnell drehende Werkstück vorerhitzt, während es auf einer Spindelzentrierungsspannvorrichtung aufgesetzt ist. Dann erzielt ein schneller "Impuls" die optimale endgültige Hitze. Als nächstes wird dann das Stück in ein Abschreckbad auf der Basis von Wasser während einer gesamten Prozeßzeit von etwa 15 bis 30 Sekunden fortschreitend eingetaucht. Die Dualfrequenz ist unter den Zahnradhärtungsverfahren einzigartig, da sie es gestattet, daß zueinander im Widerspruch stehende Spezifikationen gleichzeitig existieren. D. h. bei einem Erfordernis für eine gegebene Hauttiefe und einer Beschränkung der Verformung besteht bei herkömmlichen Härtungsmethoden die Tendenz, daß ein Erfordernis das andere beeinträchtigt. Da das Dual frequenzhärten nur die notwendige Menge an Hitze in das Teil befördert (1/2 bis 1/10 der bei herkömmlicher Induktion verwendeten Energie), können sowohl die Erfordernisse für die Hauttiefe als auch die Spezifikationen der Zahnradgeometrie genau erfüllt werden.
Bei jedem Induktionserhitzungsverfahren, gleichgültig ob es ein Dualfrequenz- oder Einzelfrequenzverfahren ist und ungeachtet der Art des Teils und seines Materials, diktieren die Eigenschaften des Teils die optimale Gestaltung von sowohl der bzw. den Induktionsheizspule oder -spulen als auch die am meisten geeigneten Maschineneinstellungen. Nur mit einer ordnungsgemäß gestalteten Spule und der geeigneten Maschineneinstellung ist es möglich, die Kontur und die Einsatzhärtungsspezifikationen zu erzielen, die vom Standpunkt des Verschleißes und des Belastungswiderstands am geeignetsten sind, während die Gesamtfestigkeit des Teils, die Materialverformbarkeit und die Teilespezifikationen noch beibehalten werden. Ein Zahnrad, das zu spröde ist, versagt frühzeitig, häufig durch einen Zahnbruch oder das Brechen des Zahnradkörpers.
Andere Patente, die es gibt und die sich im allgemeinen auf Induktionshärten beziehen, umfassen folgende:
Das US-Patent Nr. 4,749,834 offenbart ein Verfahren zum Härten der radialen, nach außen gerichteten Oberflächen eines im allgemeinen kreisförmigen, gezahnten Werkstücks, das dazu bestimmt ist, sich um eine zentrale Achse zu drehen, die im allgemeinen konzentrisch zu den nach außen gerichteten Oberflächen erläuft, wobei die Enden der Oberflächen einen äußeren Kreis mittels der Spitzen der Zähne des Werkstücks bilden.
Dieses Werkstück ist typischerweise ein Zahnrad, und wie in den verschiedenen Zeichnungen gezeigt ist es ein Zahnrad mit einer gleichmäßigen Zahngestaltung.
Das US-Patent Nr. 4,757,170 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum progressiven Härten eines länglichen Werkstücks mit einer äußeren, im allgemeinen zylindrischen Oberfläche, die zu der zentralen Achse konzentrisch ist, das bzw. die das Konzept umfaßt, eng beabstandete erste und zweite Induktionsheizspulen vorzusehen, die jeweils das Werkstück aufnehmende Öffnungen auf weisen, die im allgemeinen konzentrisch zu der Achse des Werkstücks verlaufen. Während dies ein System der Gattung mit einem Abtaster angesichts des Zahnstangenantriebs von Fig. 1 ist, ist auch festzustellen, daß das gezeigte Werkstück ein Zahnrad mit gleichmäßigen Zähnen ist.
Das US-Patent Nr. 4,785,147 offenbart eine Vorrichtung zum Härten der nach außen gerichteten Zahnflächen eines Zahnrads und ist eine CIP einer früheren Anmeldung, die jetzt das US- Patent Nr. 4,749,834 ist und deshalb wird angenommen, daß die Offenbarung und die Relevanz gleich sind.
Das US-Patent Nr. 4,855,551 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von nach außen gerichteten Zahnflächen eines Zahnrads. Dieses Patent ist eine CIP eines früheren Falls, der jetzt das US-Patent Nr. 4,785,147 ist und somit eine Beschreibung auf weist, die mit derjenigen des vorher angegebenen Patents vergleichbar ist.
Das US-Patent Nr. 4,855,556 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum progressiven Härten eines länglichen Werkstücks mit einer äußeren, im allgemeinen zylindrischen Oberfläche, die konzentrisch zu der zentralen Achse verläuft. Dieses Patent ist eine CIP des früheren Patents US-Patent Nr. 4,757,170 und somit entspricht die Offenbarung der Offenbarung des früheren Falls.
Es wird angenommen, daß jede der vorstehenden fünf Entgegenhaltungen nicht auf irgendeine Weise das Induktionshärten von Zahnradzähnen mit einer nichtgleichmäßigen Geometrie betrifft, nämlich einen, bei dem die Masse jedes Zahns von der Fersenseite zur Zehenseite variiert. Folglich wird angenommen, daß diese fünf Entgegenhaltungen, falls überhaupt, eine sehr begrenzte Relevanz für die vorliegende Erfindung haben.
Herkömmlicherweise wurde die Konstruktion mit feststehender Spule für einen großen Bereich unterschiedlicher Teile verwendet, und Maschineneinstellungen wurden auf der Basis der "besten Schätzung" durch die Bedienungsperson der Induktionsmaschine vorgenommen. Durch die stationäre Anordnung der Spule ist eine Variable ausgeschaltet und die Bedienungsperson versucht durch empirisch-praktische Verfahren in schrittweiser Annäherung ein akzeptables endgültiges Teil zu erhalten. Je erfahrener die Bedienungsperson ist, je größer ist hoffentlich die Anzahl und Verschiedenartigkeit der Teile, mit denen sie Erfahrung hat, und in dem. Ausmaß, in dem sie imstande ist, aus dieser Erfahrung Nutzen zu ziehen, ist sie möglicherweise imstande, einem annehmbaren Teil nahezukommen, jedoch nur nach wiederholten Versuchen.
Da dieser gesamte Ansatz nicht wissenschaftlich ist, ist das beste, das man erwarten kann, das Erreichen eines annehmbaren Teils, jedoch nicht eines optimalen Teils. Dieses Problem wird vergrößert, wenn das Induktionserhitzen auf unregelmäßig gestaltete Gegenstände wie Zahnräder angewendet wird. Bis jetzt hat es keinen Versuch gegeben, einen Satz Formeln auszuprobieren und abzuleiten, um die optimalsten Spulenspezifikationen und Induktionsmaschineneinstellungen für ein gegebenes Teil genau zu bestimmen, die Teil für Teil ungeachtet der Größe, Gestalt, Material oder anderer Eigenschaften wiederholbar sind. Statt dessen werden grobe Parameter für die Spule auf der Grundlage der allgemeinen Größe des Teils ausgewählt und dann werden die Maschineneinstellungen ausgewählt und verändert, bis die Kombination der Variablen in die Nähe irgendeines Zustands kommt, der akzeptiert werden kann.
Um die Unsicherheit bei den Spulenspezifikationen und Maschineneinstellungen zu vermeiden und das Induktionshärten auf eine präzise und optimale Weise ungeachtet der Art des Teils des Maschinenbauteils oder der Geometrie und der Merkmale des Teils zu ermöglichen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Erfindung entwickelt, die in dem US-Patent Nr. 4,845,328 beansprucht ist, wobei dieses Patent hier durch Bezugnahme auf seine gesamte Offenbarung ausdrücklich aufgenommen ist. Das Patent Nr. 4,845,328 offenbart eine Maschinenkonstruktion und ein Verfahren zum Induktionshärten unter Verwendung einer Reihe von Formeln zur Festlegung der Spulenspezifikationen und Maschineneinstellungen, wobei die Formeln auf der Größe und den Merkmalen des Teils des Bauteils basiert. Dieses Verfahren zur wissenschaftlichen Berechnung der Spezifikationen für eine .einzige Spule und der Maschinenvariablen (Einstellungen) auf der Grundlage von einzelnen Eigenschaften des Teils ermöglicht vorhersehbare und gleichmäßige Ergebnisse für das Induktionshärten des Teils in einer ordnungsgemäßen und wiederholbaren Weise.
Früher waren alle möglicherweise durchgeführten Berechnungen bestenfalls rudimentär, da sie nur auf dem Oberflächenbereich und der Eindringungstiefe basierten. Die Anzahl der Formeln des Patents Nr. 4,845,328 gestattet es, daß die Spulen- und Maschinenvariablen wissenschaftlich statt durch Abschätzung eingestellt werden und unnötige empirisch-praktische Versuche entfallen können, während gleichzeitig die Qualität des Teils von einem nur akzeptablen oder zulässigen Niveau auf ein optimales Niveau angehoben wird.
Insbesondere konzentriert sich das Patent 4,845,328 auf Formeln und Lösungen für das Induktionshärten von Zahnrädern mit parallelen Achsen. Bei konstanten Zahngrößen für eine gegebene Anwendung führen die Formeln zu Lösungen für Parameter für die vollständige Erhitzung. Andere Typen oder Formen von Zahnrädern wie Zahnräder mit quer verlaufenden Achsen, Zahnräder mit sich schneidenden Achsen und Zahnräder mit sich nicht schneidenden Achsen (Hypoidzahnräder) haben keine konstanten Zahngrößen und deshalb sind die Formeln nicht auf sie anwendbar.
Bei dem früheren Patent der Erfinder der vorliegenden Erfindung verwendet der mathematische Algorithmus Zahnradparameter wie die diametrale Teilung. Das Verfahren verläßt sich auch auf die Größengleichmäßigkeit jedes Zahns von der Fersenseite bis zur Zehenseite. Die Anordnung des Werkstücks innerhalb der Induktionsspulen und die Gleichmäßigkeit des Erhitzungsmusters über und durch das Werkstück von dem Innendurchmesser zum Außendurchmesser spiegelt die Tatsache der Zahngrößengleich mäßigkeit wider. Während das Induktionshärten von Zahnrädern mit parallelen Achsen mit dieser früheren Erfindung und dem Verfahren und der Maschine des Patents 4,845,328 ziemlich erfolgreich war, wurde entdeckt, daß die Zahnräder mit quer verlaufenden Achsen, die Zahnräder mit sich schneidenden Achsen und die Zahnräder mit sich nicht schneidenden Achsen aufgrund der sich ändernden (sich vergrößernden) Masse der Zahnradzähne von der Zehenseite zur Fersenseite eine einzigartige Situation schufen. Es wurde als Beispiel gefunden, daß Hypoidzahnräder, die man bei jedem PKW oder LKW mit Hinterrad- oder Vierradantrieb findet, eine nichtgleichmäßige Zahngeometrie von der Fersenseite zur Zehenseite aufweisen. Zusätzlich zu der spiralförmigen Krümmung der einzelnen Zähne, besitzt jeder Zahn in nach außen gerichteter Richtung von der Zehenseite zur Fersenseite mehr Masse. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben sich der einzigartigen Situation von Hypoidzahnrädern (und verwandten Zahnrädern mit quer verlaufenden Achsen, Zahnrädern mit sich schneidenden Achsen und Zahnrädern mit sich nicht schneidenden Achsen) in dem US-Patent Nr. 5,124,517, erteilt an Storm et al. am 23. Juni 1992, angenommen.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Herstellungserwägungen sowie bestimmte Hypoidzahnradgeometrien möglicherweise eine unterschiedliche Induktionsspulenkonstruktion und ein geringfügig unterschiedliches Anordnen der Spule mit Bezug auf das Zahnrad verlangen. Beispielsweise könnte in Fällen, bei denen es einen kleineren als den normalen Flächen-(oder Kegel-) Winkel bei dem Zahnrad gibt, eine konische Induktionsspule, die zentriert oberhalb des Werkstücks angeordnet ist, geeigneter sein als eine im allgemeinen zylindrische Induktionsspule, die unter einem geeigneten Winkel angeordnet ist. Für größere Zahnräder und für Produktionsläufe mit großen Stückzahlen kann es bevorzugt sein, eine Spule mit einem festgelegten Neigungswinkel im Gegensatz zu einer variablen mechanischen Befestigung für eine Spule zu haben, die die Induktionsspule unter einem gewünschten Neigungswinkel mit Bezug auf die Zahnoberfläche des Werkstücks fixiert. Ungeachtet der spezifischen Spulenkonstruk tion oder -geometrie oder -anordnung mit Bezug auf das Werkstück ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Spule derart zu gestalten, daß die magnetische Kopplung und somit die Hitze größer ist an der Fersenseite des Zahnrads, wo die Metallmasse größer ist, als an der Zehenseite des Zahnrads, wo die Metallmasse geringer ist.
Nun offenbart das US-Patent 5,124,517 in Kombination:
ein induktionszuhärtendes Kegelrad, das eine im wesentlichen ebene hintere Fläche, eine Vielzahl von Zähnen auf weist, wobei jeder Zahn ein Fersenteil und ein Zehenteil und eine obere Zahnoberfläche hat, die einen Kegelwinkel bildet, wobei das Kegelrad eine axiale Mittellinie hat; und
eine Induktionshärtungsmaschine zum Randhärten des Kegelrads, die umfaßt:
eine das Kegelrad aufnehmende Trageinrichtung und ferner eine an der Trageinrichtung befestigte, drehbare Antriebsspindel, eine Spindelantriebseinrichtung, die mit der drehbaren Antriebsspindel verbunden ist, um die Antriebsspindel zu drehen und eine geometrische Drehachse hat, eine Induktionsspule und eine Erregereinrichtung aufweist, die mit der Induktionsspule elektrisch verbunden ist, um die Induktionsspule zu erregen.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule eine im großen und ganzen konische, dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche und eine Kegelmittellinienachse hat und die Induktionsspule über dem Kegelrad angeordnet und derart ausgerichtet ist, daß die Kegelmittellinienachse im großen und ganzen mit der axialen Mittellinie des Kegelrads zusammenfällt und die obere Zahnoberfläche des Kegelrads und die dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche der Induktionsspule einen festen und nicht verstellbaren spitzen Winkel zwischen diesen bilden.
Zugehörige Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Induktionshärten eines Kegelrads geschaffen, das eine im wesentlichen ebene hintere Fläche und eine Vielzahl von Zähnen hat, von denen jeder einen Fersenteil und einen Zehenteil und eine obere Zahnoberfläche hat, die einen Kegelwinkel bildet, wobei das Kegelrad eine axiale Mittellinie hat und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
(a) Bereitstellen einer Hochfrequenz-Induktionsspule, die eine dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche hat;
(b) Anordnen eines Kegelrads so, daß die obere Zahnoberfläche auf die dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche weist;
(c) Anschließen der Hochfrequenzinduktionsspule an eine elektrische Hochfrequenz-Energiequelle;
(d) Auswählen von Leistungspegeln und Impulsdauern für das induktionszuhärtende Zahnrad; und
(e) Erregen der Hochfrequenz-Induktionsspule mit den ausgewählten Leistungspegeln und Impulsdauern; und gekennzeichnet dadurch, daß
die dem Zahnrad zugekehrte Fläche im großen und ganzen konisch ist und die Induktionsspule eine Kegelmittellinienachse hat; und
die Induktionsspule über dem Zahnrad derart angeordnet ist, daß die Mittellinienachse im großen und ganzen mit der axialen Mittellinie des Zahnrads zusammenfällt und die obere Zahnoberfläche und die dem Zahnrad zugekehrte Oberflächen einen festen, nichtverstellbaren Winkel zwischen sich bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der Hauptbauteile einer Induktionshärtungsmaschine zur Verwendung beim Induktionshärten von Zahnrädern in einer bekannten Anordnung.
Fig. 2 eine Vorderansicht der Arbeitsstationsbereichs der Induktionshärtungsmachine von Fig. 1.
Fig. 2A eine schematische Vorderansicht, die den Neigungswinkel der Spule mit Bezug auf den Winkel der oberen Oberfläche des Zahnradzahns veranschaulicht.
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht, der das Versetzen der Induktionsspule mit Bezug auf das Zahnrad veranschaulicht.
Fig. 4 eine schematische Draufsicht, die das Versetzen der Induktionsspule relativ zu dem Zahnrad veranschaulicht.
Fig. 5 eine teilweise schematische Darstellung der Spule von Fig. 3 in vollständigem Schnitt.
Fig. 6 eine schematische Vorderansicht einer alternativen Induktionshärtungsspule zur Verwendung bei einem Ritzel.
Fig. 7 eine vollständig Vorderansicht vollständig im Schnitt durch eine alternative Spulenkonstruktion, die über einem Zahnrad gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Für die Zwecke des besseren Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird jetzt Bezug auf die in den Zeichnungen veranschaulichte Ausführungsform genommen und eine spezifische Sprache wird zu deren Beschreibung verwendet. Es ist dennoch zu beachten, daß dadurch keine Beschränkung des Erfindungsumfangs beabsichtigt ist. Solche Änderungen und weitere Modifikationen der beschriebenen Vorrichtung und alle weiteren Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie hier dargestellt ist, werden so angesehen als ob sie normalerweise einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, einfallen würden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird schematisch oder überblicksweise ein Blockdiagramm der Hauptbauteile und Verbindungen einer Induktionshärtungsmaschine 20 für Zahnräder mit quer verlaufenden Achsen, Zahnräder mit sich schneidenden Achsen und Zahnräder mit sich nicht schneidenden Achsen wie Hypoidzahnräder gezeigt. Nachstehend soll die Bezugnahme auf ein Hypoidzahnrad nur als Beispiel der drei Kategorien von Zahnrädern, die die Erfindung hauptsächlich betrifft, darstellen. Keine Beschränkung des breiteren Umfangs und der breiteren Anwendbarkeit der Erfindung ist durch dieses einzige repräsentative Beispiel beabsichtigt. Die Maschine 20 umfaßt eine programmierbare Logiksteuer-(PLC)-Einheit 21, einen Hochfrequenz-(R.F.)- Generator 22 und eine Arbeitsstation 23. Die PLC-Einheit wird durch eine Anordnung angetrieben, die aus einem Computer 24 und einem Plattenlaufwerk 25 besteht, wobei, wie dargestellt, die Verbindungen hergestellt und die Intelligenz übertragen wird. Die Dateneingabe könnte auch durch den Block 24a bereitgestellt werden, der beispielsweise eine manuelle Dateneingabe sein könnte. Diese Dateneingabe könnte zusätzlich zu den Plattenlaufwerksdaten oder statt der Plattenlaufwerkseingabe vorgesehen sein. Der mit unterbrochenen Linien dargestellte Kasten, der mit der Arbeitsstation verbunden ist, soll den strukturellen Aspekt der Arbeitsstation und der in dieser angeordneten Bauteile veranschaulichen. Wie angegeben, umfaßt die Arbeitsstation eine Induktionsspule 26, ein Hypoidzahnrad (Werkstück) 27, eine Tragplatte 28, eine Antriebsspindel 29 und einen Antriebsmotor 30 (siehe Fig. 2).
Eine Option für die Generatorsteuerschaltung wird durch den Block 21a dargestellt, der gemäß der Offenbarung der US- Patentanmeldung Serial No. 563,398, eingereicht am 6. August 1990, gestaltet ist. Diese Patentanmeldung wird hiermit ausdrücklich mit Bezug auf ihre gesamte Offenbarung aufgenommen. Wie gezeigt, empfängt die Generatorsteuerschaltung ein von dem Computer 24 eingegebenes Signal.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist das Werkstück bei der bevorzugten Ausführungsform ein Hypoidzahnrad 27, das an der Tragplatte 28 angeordnet ist. Das Hypoidzahnrad 27 ist für einen Typ des Kegelzahnrads repräsentativ, und die vorliegende Erfindung ist so auf Kegelräder im allgemeinen anwendbar. Eine Spindel 29, die mittig mit der Unterseite der Tragplatte 28 verbunden ist, ist direkt mit dem Drehantriebsmotor 30 verbunden. Das Hypoidzahnrad 27 umfaßt in seiner im wesentlichen ebenen unteren Fläche ein vorgebohrtes Loch. Das Zahnrad 27 besitzt eine obere Oberfläche 27a, die im wesentlichen beim Anbauen an der Platte 28 waagerecht ist und die Oberfläche 27a entspricht dem innersten Bereich der Spitze des Zahnrads. Ein starrer und feststehender Anordnungsstift 28a wird als Teil der Tragplatte 28 angebaut und erstreckt sich von der oberen Oberfläche 31 nach oben. Das Zahnrad wird an der Tragplatte durch Anordnen des Anordnungsstifts in dem vorgebohrten Loch sicher angebracht. Wenn der Drehantriebsmotor 30 erregt wird, dreht er die Spindel mit einer hohen Geschwindigkeit, welche ihrerseits die Tragplatte und das Hypoidzahnrad dreht. Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 900 bis 1800 UpM und ein geeignetes Bauteil für den Drehantriebsmotor 30 ist ein Setco Bodenantrieb, Modell Nr. SPL 6100.5-18M.
Die dem Hypoidzahnrad-Werkstück verliehene Umlaufbewegung ist ein Aspekt der Konstruktion der Induktionshärtungsmaschine 20 als Mittel, um geringfügige Lageabänderungen auszugleichen. Ein weiterer Aspekt der Induktionshärtungsmaschine 20 ist das Anordnen der Induktionsspule mit Bezug auf das Hypoidzahnrad 27. Wie in Fig. 2, 2A und 3 gezeigt, ist die obere Oberfläche 27a des Zahnrads 27 im wesentlichen waagerecht wie dies auch die obere Oberfläche der Tragplatte 28 ist. Das Zahnrad 27 hat jedoch einen Flächenwinkel, der die Zahnoberflächenwinkligkeit entlang der Linie 27b (siehe Fig. 2A) erzeugt und so sind es nur die oberen und innersten Ränder der Zahnradzähne, die die obere Oberfläche 27a kontaktieren oder schaffen. Wie hier verwendet, ist der Flächenwinkel der spitze Winkel, der zwischen der Linie 27b und der vertikalen Linie 27c liegt. Der Kegelwinkel, der gleich dem Flächenwinkel ist, ist der eingeschlossene Winkel zwischen der Linie 27b und der vertikalen Mittellinie 27d. Bei der Anordnung von Fig. 2A ist, wie beschrieben, die Spule unter einem Winkel angeordnet und exzentrisch zu dem Werkstück (Zahnrad). Dies bewirkt, daß das Erhitzen des Zahnrads nur an einem kleinen Sektor des Zahnrads auftritt. Folglich ist eine Umlaufbewegung mit hoher Drehzahl notwendig, um das Erhitzen durch das ganze Zahnrad hindurch auszugleichen. Da die magnetische Kopplung über die Spule nur bei einem Sektor des Zahnrads erfolgt, ist die Zahnradgröße, die durch diesen Ansatz induktionsgehärtet werden kann, begrenzt, falls es gewünscht ist, fast optimale Induktionshärtungsergebnisse zu erzielen.
Der geneigte Winkel Theta bringt die Induktionsspule näher an das Fersenteil des Zahnrads und weiter weg von dem Zehenteil an der einen Seite, an der die Spule am nächsten ist. Dies schafft den spitzen Winkel Alpha, der durch die untere Oberfläche 26a der Spule und der Zahnradzahnoberfläche gebildet ist, die den Kegelwinkel der Zahnradoberfläche bildet und mit der Linie 27b zusammenfällt. Das Fersenteil stellt den größeren Massenbereich des Zahnradzahns dar, und aufgrund der Nähe der Spule beginnt das Induktionserhitzen an diesem Punkt. Die Hitze des Fersenteils wird auf den Zehenteil übertragen, wenn die Spule zusätzlich den Zehenteil aufheizt, während der Fersenteil weiter erhitzt wird. Wenn die Spule nicht unter einem Winkel angeordnet ist, wird der Zehenbereich zu heiß, während die größere Masse des Fersenbereichs immer noch auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird. Der Winkel Alpha, der tatsächlich durch die Auswahl des Winkels Theta geschaffen wird, wird derart gewählt, daß die magnetische Kopplung und somit die Hitze an dem Fersenteil, wo die Metallmasse größer, höher ist als diejenige an dem Zehenteil des Zahnrads, wo die Metallmasse kleiner ist.
Mehrere Zahnradgeometriefaktoren können auf die optimale Neigung für den Winkel Alpha einen Einfluß haben. Diese Faktoren umfassen beispielsweise den Zahnradkegelwinkel und den Zahnradspiralwinkel, jedoch ist es letztlich das Ausmaß der Änderung der Masse des Zahns vom Fersenteil zum Zehenteil, das den Neigungswinkel und den Winkel Alpha diktiert. Der Schwerpunkt von Fig. 2 liegt mehr auf den mechanischen Aspekten der Anordnung und Abstützung, während der Schwerpunkt von Fig. 2A und 3 mehr auf den Anordnungsgeometrien und -beziehungen liegt.
In Fig. 2A und 4 ist die Versetzung der Spule 26 mit Bezug auf das Zahnrad 27 dargestellt. Die geringfügige Verschiebung kombiniert mit der Umlaufbewegung des Zahnrads mit hoher Drehzahl sorgt für eine Gleichmäßigkeit bei dem Induktionserhitzungsverfahren und für eine Garantie, das jeder Zahn in seiner Gesamtheit korrekt durch das Induktionsverfahren erhitzt wird. Der Luftspalt zwischen der Induktionsspule 26 und der Fläche des Hypoidzahnrads reicht von etwa 0,10 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) an dem Fersenteil des Zahnrads bis etwa 0,90 Zoll an dem Zehenteil des Zahnrads. Die Induktionsspule 26, die eine im wesentlichen zylindrische, ringförmige Ringgestalt aufweist, ist zu einer Seite des Mittelpunkts des Hypoidzahnrads 27 abgeschrägt oder verschoben. Diese Verschiebung zu einer Seite des Mittelpunkts ist schematisch durch die Vorderansicht von Fig. 2A und die Draufsicht von Fig. 4 gezeigt.
Eine Abschreckeinheit 35 ist sicher an der Induktionsspule 26 angebaut, und diese Kombination ist mittels des verlängerbaren Arms 32 und der Abstützklemmbacke 33 sicher an der Tragsäule 34 befestigt. Der Arm 32 ist sicher als Verlängerung der Induktionsspule angebracht und an der Klemmbacke 33 befestigt, um die Spule in der gewünschten Position und Neigung mit Bezug auf das Hypoidzahnrad auszurichten. Ein Kunststoff ring 35a ist an dem L-Träger 35b befestigt, der Seinerseits an der Klemmbacke 33 befestigt ist. Dieser Ring sorgt für eine zusätzliche Steifigkeit der Kombination aus Spule und Abschreckeinheit. Wenn das Hypoidzahnrad ordnungsgemäß positioniert und an der Tragplatte 28 verstiftet ist und die Induktionsspule 26 sicher in ihrer Lage festgeklemmt ist und mit der gewünschten Ausrichtung und Neigung eingestellt ist, ist das Induktionshärtungsverfahren betriebsbereit.
Der erste Schritt bei dem Induktionshärtungsverfahren besteht darin, den Antriebsmotor zu erregen, um die Umlaufbewegung des Hypoidzahnrads 27 mit hoher Drehzahl einzuleiten. Als Beispiel der relativen Zahlen für ein Zahnrad einer bestimmten Größe und einem Kw-Generator beträgt die Drehzahl 900 bis 1800 U. p. M. Das Erhitzen des beispielhaften Zahnrads mittels der Induktionsspule 26 beginnt mit vier Hochfrequenzimpulsen geringer Energie von dem RF-Generator 22. Der Generator 22 ist eine 650-Kilowatt-Einheit, die zwischen 230 und 280 kHz arbeitet. Die vier Impulse geringer Energie arbeiten mit 30% des festgelegten 650 Kilowatt-Niveaus. Der erste Impuls hat eine Dauer von vier Sekunden, gefolgt von einer Ruhepause von zwei Sekunden zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls. Der zweite Impuls hat eine Dauer von fünf Sekunden, gefolgt von einer weiteren Ruhepause von zwei Sekunden zwischen dem zweiten und dem dritten Impuls. Der dritte und der vierte Impulse haben jeweils eine Dauer von sechs Sekunden, unterbrochen von einer dritten Ruhepause von zwei Sekunden.
Nach dem vierten Impuls niedriger Energie gibt es eine Ruhepause von acht Sekunden, bevor ein einziger Impuls hoher Energie als abschließender Heizimpuls zugeführt wird. Das Energieniveau dieses abschließenden Heizimpulses ist auf 79% des festgelegten 650 Kilowatt-Niveaus des RF-Generators eingestellt. Dieser abschließende Impuls hat eine Dauer von etwa 2,65 Sekunden und auf ihn folgt sofort (ohne Ruhepause oder Verzögerung) die Einleitung des Abschreckens.
Die Abschreckflüssigkeit wird dem Hypoidzahnrad 27 mittels eines Flüssigkeitszuführungssystem (Abschreckeinheit 35) zugeführt, die mit der Induktionsspule zusammengebaut ist. Die Abschreckeinheit 35 ist an der Induktionsspule angebaut und ein Teil der Abschreckeinheit ist oberhalb der Spule angeordnet, während sich ein gewölbter Bereich 36 durch den Mittelpunkt der Spule hindurch erstreckt. Vier Fluid-Anschlußstücke 37 sind in der oberen Rohrverzweigung 38 der Abschreckeinheit 35 eingebaut. Innenkanäle ermöglichen es, daß die Abschreckflüssigkeit von diesen vier Anschlußstücken zu dem gewölbten Bereich der Einheit gelangt, wo sich eine Reihe von Fluidauslässen (Löchern) direkt oberhalb des Hypoidzahnrads 27 angeordnet und der Fläche desselben zugewandt ist. Das vollständige und schnelle Abschrecken wird durch den gewölbten Bereich 36 der Abschreckeinheit 35 ermöglicht. Dieser gewölbte Bereich weist sowohl die kreisförmige Gestalt als auch Eckigkeit auf, um eine große Anzahl von Flüssigkeitsauslässen auf alle Oberflächen der Zahnradzähne zu richten. Obgleich der gewölbte Bereich auch unter einem Winkel mit Bezug auf das Zahnrad eingestellt ist, sorgt die Umlaufbewegung des Zahnrads mit niedriger Drehzahl sogar während des Abschreckzyklus für eine Gleichmäßigkeit der Abschreckung bei allen Zahnradzähnen.
Vier Fluidzuführschläuche 39 verbinden den Abschrecktank 40 (siehe Fig. 1) mit den Anschlußstücken 37. Die vier Zuführschläuche sind jeweils Leitungen von 1 Zoll und der Abschrecktank hat ein Fassungsvermögen von 150 Gallonen. Ein geeignetes Abschreckmedium für diese Anwendung ist eine Aqua-Abschrecklösung 364 von E. F. Houghton, die eine Glycollösung zwischen 5 und 10% ist.
Während der Erhitzung mit geringer Energie und der Erhitzung mit hoher Energie bleibt die vertikale Stellung des Hypoidzahnrads mit Bezug auf die Induktionsspule die gleiche. Während des Abschreckens kann eine geringfügige vertikale Achsenbewegung des Hypoidzahnrads mit Bezug auf die Induktionsspule erfolgen, um das Abschrecken zu erleichtern. Wenn die Abschreckungsphase beendet ist, wird das Teil aus der Tragplatte entfernt und die Maschine wird erneut eingestellt und ist für das nächste Hypoidzahnrad bereit. Die PLC-Einheit 21 steuert den Hochfrequenzgenerator 22 und die Zuführung der Abschreckflüssigkeit und die zeitlich abgestimmte Zuführung. Eine Bedienungskonsole sorgt für alle notwendigen Bedienungssteuerungen und die notwendige Dateneingabe für den Betrieb der PLC-Einheit, obgleich es bei einer Computersteuerung eine minimale Schnittstelle für eine Bedienungsperson gibt. Die PLC- Einheit steuert die Zuführung der erforderlichen Energieimpulse, das Energieniveau und die Energiedauer. Die Anzahl der Impulse niedriger Energie wird auch entweder durch die Bedienungsperson über die Bedienungskonsole oder durch das Computerprogramm auf der Grundlage der Zahnradparameter für die Steuerung im Hinblick darauf ausgewählt, was die Induktionsspule liefert.
In Fig. 5 ist der Querschnitt einer Seite der Induktionsspule 26 gezeigt. Die Spule 26 ist im allgemeinen zylindrisch, umfaßt jedoch eine winklige obere Fläche 50 und eine abgestufte Oberfläche 51 an der Unterseite 52. Eine Strömungskonzentrierungseinrichtungsschicht 53 ist oberhalb der winkligen oberen Fläche 50 sowie über der äußeren Oberfläche 54 und der inneren Oberfläche 55 der Spule 26 angeordnet. Diese Strömungskonzentrierungseinrichtung ist aus Eisenpulver, suspendiert in Kunststoff, hergestellt.
In Fig. 6 sind eine alternative Induktionsspule 60 und ein alternatives Ritzel 61 gezeigt. Ein Ritzel ist für das größere Ringzahnrad von Fig. 2 und 3 eine einzigartige Situation, da sich die nichtgleichmäßigen Zahnradzähne, die von einem Ende der Zähne zu dem gegenüberliegenden Ende eine unterschiedliche Masse aufweisen, entlang der Seiten erstrecken statt über die obere Oberfläche hinweg. Folglich muß die Induktionsspule für ein Ritzel um das Zahnrad herum angeordnet werden im Vergleich zu der Anordnung über dem Zahnrad.
Das Ritzel 61 weist gekrümmte (spiralförmige) Zähne 62 mit zunehmender Zahnmasse von dem Zehenteil 63 (Oberseite) zu dem Fersenteil 64 (Basis) auf. Folglich ist in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Innenfläche 65 der Induktionsspule 60 verjüngt, so daß die Spule näher bei der größeren Masse der Zahnradzähne an dem Fersenteil und weiter weg von dem Zehenteil angeordnet ist. Das Ritzel 61 wird mit einer hohen Drehzahl gedreht und die Spulenhöhe erstreckt sich über die volle Höhe der Zahnradzähne. Die übrige Teil der Konstruktion und der übrige Teil der Arbeitsweise der Konstruktion von Fig. 1 ist auf die Spulen- und Zahnradgestaltung von Fig. 6 auf praktisch die gleiche Weise wie bei der Gestaltung von Fig. 2 anwendbar. Der einzige wahre Unterschied zwischen den Alternativen von Fig. 2 und Fig. 6 ist abgesehen von der Art und der Anordnung der Induktionsspule die Anordnung der Abschreckeinheit mit Bezug auf die Spule. Da das Ritzel innerhalb der Spule in der Konstruktion von Fig. 6 angeordnet ist, muß die Abschreckeinheit oberhalb und um das Ritzel herum angeordnet werden, wobei die Flüssigkeitsauslässe auf die Zähne gerichtet sind.
Unter Bezugnahme auf die früheren Erörterungen mit Bezug auf Fig. 2A wird jetzt Fig. 7 in Betracht gezogen, die eine unterschiedliche Beziehung zwischen der Stellung der Spule 70 und derjenigen des Werkstücks, in diesem Fall ebenfalls ein Hypoidzahnrad 27, zeigt. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spule 70 eine im allgemeinen konische untere Fläche 71 auf, die im allgemeinen konzentrisch zu dem Zahnrad 27 angeordnet ist. Die gezeigte und identifizierte Mittellinie 70a soll die geometrischen axialen Mittellinien des Zahnrads und der Spule darstellen. Der Winkel Alpha wird wie in Fig. 2A beibehalten, um die magnetische Kopplung zu variieren und eine größere Erhitzung an dem Fersenteil 72 zu erzeugen, an dem die Metallmasse im Vergleich zu dem Zehenteil 73 des Zahnrads größer ist. Jedoch mit der im allgemeinen konischen Art und der konzentrischen Ausrichtung der Spule 70 tritt die Erhitzung um das gesamte Zahnrad herum mit der Ausnahme eines sehr kleinen Bereichs benachbart der Spulenleitungen auf. Bei der Ausführungsform von Fig. 7 kann eine niedrigere Drehzahl verwendet werden und größere Zahnräder können induktionsgehärtet (wärmebehandelt) werden, da die magnetische Kopplung praktisch vollständig um die Zahnradfläche herum besteht.
Bei der Wahl zwischen der Anordnung von Fig. 2A und der Ausführungsform von Fig. 7 könnte man die Anordnung von Fig. 2A für Laborteile und Teile mit kurzer Laufzeit bevorzugen, da der Winkel Alpha leicht eingestellt werden kann. Dies ist aus der mechanischen Struktur von Fig. 2 klar, bei der der Arm 32 und die Klemmbacke 33 verwendet werden, um die Spule 26 an der Tragsäule 34 mittels der Abschreckeinheit 35 zu befestigen.
Wenn eine größere Anzahl von Teilen herzustellen ist, wie die Menge einer Produktionsstraße, wird hier die Ausführungsform von Fig. 7 gewählt, weil, wenn der Winkel Alpha erst einmal hergestellt und bei der konischen Form der Spule festgelegt ist, dieser Winkel festgelegt bleibt und sich nicht ändert. Folglich kann der Winkel Alpha nicht durch das Bedienungspersonal aus Versehen geändert oder aus Unachtsamkeit aus seiner Stellung heraus bewegt werden. Die Ausführungsform von Fig. 7 sorgt auch für eine wirksamere magnetische Kopplung und wird für größere Zahnräder bevorzugt. Während dies nicht notwendigerweise ein Negativum ist, erfordert die Ausführungsform von Fig. 7 eine neue Spule für jeden unterschiedlichen Winkel Alpha, der gewünscht wird, und so ist die Freiheit bezüglich der mechanischen Befestigung nicht mehr gegeben, die es der Bedienungsperson gestattet, den Winkel Alpha zu ändern.
Es wird auch angenommen, daß die Ausführungsform von Fig. 7 bevorzugt ist, wenn der Flächenwinkel des Zahnrads relativ klein ist. Versuche haben auch gezeigt, daß mit größer werdendem Flächenwinkel die Spulengestaltung von Fig. 2, 2A und 3 bevorzugt wäre. Ein möglicher Kreuzungspunkt zwischen den beiden Ausführungsformen wäre ein Flächenwinkel zwischen 30 und 35º.
Wie erklärt und beschrieben wurde, ist, wenn die Masse des Fersenteils mit Bezug auf die Masse des Zehenteils jedes Zahnradzahns zunimmt, die geneigte Spulenkonstruktion von Fig. 2, 2A und 3 bevorzugt. Wenn die Masse von Fersenteil zu Zehenteil eine größere Gleichmäßigkeit auf weist, wäre die Ausführungsform von Fig. 7 zu bevorzugen. Wie zu beachten ist, nimmt bei Vergrößerung des Flächenwinkels die Masse des Fersenteils relativ zu dem Zehenteil auch zu, und dann besteht ein größerer Bedarf daran, sich auf die Induktionskopplung in der Nähe des Fersenteils zu konzentrieren und einen größeren Teil der Heizenergie auf diesen Punkt zu konzentrieren, da er aufgrund des relativen Unterschieds in der Masse mehr als der Zehenteil benötigt.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung gezeigt und beschrieben wurde, sind diese nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen, wobei zu beachten ist, daß nur die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde und daß alle Änderungen und Modifikationen, die unter den Umfang der Ansprüche fallen, geschützt sein sollen.

Claims

1. Kombination aus

einem induktionszuhärtenden Kegelrad (27), das eine im wesentlichen ebene hintere Fläche und eine Vielzahl von Zähnen hat, wobei jeder Zahn einen Fersenteil und einen Zehenteil und eine obere Zahnoberfläche (27a) hat, die einen Kegelwinkel bildet, wobei das Kegelrad eine axiale Mittellinie (27d) hat; und

einer Induktionshärtungsmaschine (20) zum Randhärten des Kegelrades, die einen Arbeitstationsträger (28), der eine das Kegelrad aufnehmende Trageinrichtung hat und ferner eine an der Trageinrichtung gesicherte drehbare Antriebsspindel (29), eine Spindelantriebseinrichtung (30), die mit der drehbaren Antriebsspindel verbunden ist, um die Antriebsspindel zu drehen, und eine geometrische Drehachse hat, eine Induktionsspule (70) und eine Erregereinrichtung auf weist, die mit der Induktionsspule elektrisch verbunden ist, um die Induktionsspule zu erregen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule eine im großen und ganzen konische, dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche (71) und eine Kegelmittellinienachse hat und über dem Kegelrad angeordnet und derart ausgerichtet ist, daß die Kegelmittellinienachse im großen und ganzen mit der axialen Mittellinie des Kegelrades zusammenfällt, und die obere Zahnoberfläche des Kegelrades und die dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche der Induktionsspule einen festen und nicht verstellbaren spitzen Winkel zwischen sich bilden.

2. Kombination nach Anspruch 1, bei der die Induktionsspule eine Hochfrequenz-Induktionsspule ist.

3. Verfahren zum Induktionshärten eines Kegelrades (27), das eine im wesentlichen ebene hintere Fläche und eine Vielzahl von Zähnen hat, von denen jeder einen Fersenteil und einen Zehenteil und eine obere Zahnoberfläche (27a) hat, die einen Kegelwinkel bildet, wobei das Kegelrad eine axiale Mittellinie (27d) hat und das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen einer Hochfrequenz-Induktionsspule (70), die eine dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche (71) hat,

(b) Anordnen eines Kegelrades so, daß die obere Zahnoberfläche auf die dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche weist;

(c) Anschließen der Hochfrequenz-Induktionsspule an eine elektrische Hochfrequenz-Energiequelle;

(d) Auswählen von Leistungspegeln und Impulsdauern für das induktionszuhärtende Zahnrad; und

(e) Erregen der Hochfrequenz-Induktionsspule mit den ausgewählten Leistungspegeln und Impulsdauern; und

gekennzeichnet dadurch, daß

die dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche im großen und ganzen konisch ist und die Induktionsspule eine Kegelmittellinienachse (CL) hat; und

die Induktionsspule über dem Zahnrad derart angeordnet ist, daß die Mittellinienachse im großen und ganzen mit der axialen Mittellinie des Zahnrades zusammenfällt und die obere Zahnoberfläche und die dem Zahnrad zugekehrte Oberfläche einen festen nicht verstellbaren Winkel (α) zwischen sich bilden.