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Das Werkstück umfassender Induktor zum Oberflächenhärten durch induktives
Erhitzen mit nachfolgendem Abschrecken Es ist bekannt, zum fortschreitenden Oberflächenhärten
insbesondere auch langgestreckter Werkstücke durch induktives Erhitzen mit nachfolgendem
Abschrecken Induktoren oder Spulen zu verwenden, die das Werkstück umfassen und
die vorzugsweise mehrwindig ausgebildet sind: Die Windungen des Induktors, der an
die hochfrequente Stromquelle angeschlossen wird, können parallel oder in Reihe
geschaltet werden. Um beispielsweise mit einer derartigen Einrichtung eine Welle
oder Walze an der Oberfläche zu erwärmen und durch nachfolgendes Abschrecken zu
härten, wird eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Spule in der Weise hervorgerufen,
daß das Werkstück mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Spule hindurchwandert,
wobei in Vorschubrichtung gesehen am hinteren Ende der Spule eine Abschreckvorrichtung
vorgesehen ist.
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Im Betriebe hat sich nun gezeigt, daß die mit derartigen Induktoren
mit nachgeordneter Abschreckeinrichtung behandelten Werkstücke leicht zu Oberflächenrissen
neigen. Diese Feststellung ist um so bemerkenswerter, als diese Risse auch dann
auftreten, wenn der Werkstückoberflächenabschnitt, der' jeweils aus der Spule austretend
in den Bereich der Abschreckvorrichtung gelangt, die richtige Härtetemperatur aufweist,
so. daß
Überhitzungen, die sonst vielfach für derartige Erscheinungen
Veranlassung sind, zunächst ausgeschlossen erscheinen Die Erfindung hat sich zur
Aufgabe gestellt, die Erscheinung der Rißbildung an der Oberfläche voll Werkstücken,
die fortschreitend von einer das Werkstück umfassenden Spule induktiv erhitzt werden,
zu beseitigen, und zwar fußt die Erfindung auf folgender Erkenntnis: Die Verteilung
des magnetischen Kraftfeldes der Spule ist svniinetrisch. Diese svminetrische Ausbildung
hat zur Folge, daß die Stromkonzentration der induzierten Ströme ini Werkstück in
der Spulenmitte am größten ist. Weiter wurde erkannt, daß Stromkonzentration und
'#,"erteilu?ig im Zusammenwirken mit dem nachfolgenden Abschrecken gegen das, in
Vorschubrichtung gesehen. hintere Ende der Spule im Werkstück eilte niedrigere Temperatur
entstehen lassen. So ist es möglich, wie «-eiter unten näher erläutert, daß
das U'erkstück zwar an der Stelle, all der es aus der Spule austritt und in die
Abschreckvorrichtung gelangt, die richtige Härtetemperatur aufweist, dabei aber
auf seinem Wege durch die Spule hindurch überhitzt wurde. Überhitzungen geben aber
zu Rißbildungen Veranlassung.
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Um diese zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung der Induktor so ausgebildet,
daß sein Innendurchmesser bzw. der der Einzelwindungen in Vorschubrichtung sich
stetig oder sprunghaft verringert. Förderlich für die @i`irkung der Verringerung
des Durchmessers der Windungen ist es, wenn der Abstand der Windungen voneinander
in Vorschubriclitung kleiner wird. Wenn, wie dies vielfach zweckmäßig ist, nicht
eilte mehrwindige, sondern eine nur einwindige Spule verwendet wird. so muß die
Spule konisch ausgebildet werden, d. h. die Induktorflächen, die dem Werkstück zugekehrt
sind. müssen in Vorschubrichtung konisch auf die @pu@enachse bzw. auf die Werkstückoberfläche
zu verlaufen. ' Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß ein bestimmter Werkstückabschnitt
beim Durchgang durch die Spule stetig an Teinpe- j ratur zunimmt und die Höchsttemperatur
in dem Augenblick erreicht, wo er aus der Spule aus- und in die Abschreckiorrichtung
eintritt. Wenn somit diese Temperatur, d. 1i. also die Abschrecktemperatur richtig
gewählt und eingestellt wird, sind Überhitzungen des @@'erkstiickes auf lern Wege
durch die Spule ausgeschlossen. und die auf Z'lterliitzung zurückzuführende Rißbildung
an der Oberfläche wird vermieden.
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Im nachfolgenden «-erden zunächst die ohne Anwendung der Maßnahmen
der Erfinduner obwaltenden Verhältnisse geschildert und dann einige Ausführungsbeispiele
des Erfindungigedailkens wiedergegeben.
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Fig. i stellt einen senkrechten Schnitt durch eine bekannte Spulenart
dar: Fig. -2 ist ein Schaubild der Temperaturverteilung im Werkstück bei Anwendung
einer Spule nach Fig. i Fis. 3 bis ; stellen verschiedene Spulest gemäß der Erfindung
dar.
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Mit einer bekannten Ailordnting gemäß Fis. i soll eine Welle i an
iliier Osterfläche gehärtet werden. Hierzu ist eine Spule mit Einzelwindungen 3
vorgesehen, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet sind. In der Zeichnung
sind Vollkupferwindungen dargestellt; es können jedoch auch in all sich bekannter
Weise besonders -ekühlte Hohlrohre verwendet werden. Die Abschreckeinrichtung 3
bestellt aus einem Hohlring finit einem Kanal 6 für die Spritztlüsikeit, die aus
den Öffnungen 7, Ivie bei 8 angedeutet. auf die Werktückoberfläche gespritzt wird.
Wird der Strom in der Spule a eili-eschaltet. so bildet sich das durch die Linien
.1 allgedeutete magnetische Feld aus. Das Feld verteilt sich svminetrisch zu einer
Ebene. die sich auf der Mitte der Spulenlänge senkrecht zur Spulenachse befindet
Die gröl.lte Stärke besitzt das Feld in der -Nähe der Scniitietrieebene bei d.1°,
und an dieser Stelle wird mithin die größte Stromkonzentration im Werkstück und
damit an dieser Stelle die ltf äclt;te Temperatur erzeugt.
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In Fig. 2 ist 111 einem Schaubild auf der Abszisse T die Temperatur
und auf der Ordinate L die Werkstücklänge. bezogen auf Fig. i, aufgetragen. -Nimmt
malt einmal all, daß zwischen Spule und Werkstück keilte Relativbewegung stattfindet,
so ergibt sich eitle Temperaturverteilung in der Werkstückoberfläche nach Kurie
a. Die höchste Temperatur wird erreicht in der Mitte zwischen Spulenanfang _-I und
Spulenende L. Bewegen sich Spule und Werkstück geeiieiitaitder, ohne daß jedoch
die hinter der Spule gelegene Abschreckvorrichtung in Tätigkeit ist. so ergibt :ich
eilte Temperaturverteilung nach Kurve h, die zunächst dem Kurvenzug der Kurve a
folgend von der Mitte der `pule an aber bis zum Spulenende stetig zu höheren Temperaturen
verläuft. Wird nun bei RelativbewegLing zwischen Spule und Werksdick außerdem noch
die Spritzeinrichtung zusn Zwecke des Abschreckens in Tätigkeit gesetzt, so ergibt
sich eine Temperaturverteilung in der Werkstückoberfläche, die der Kurve c folgt.
Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Abkühlung zum Zwecke des Abschrecken;
nicht nur an der eigentlichen Abschreckstelle die erwünschte Abkühlung hervorruft,
sondern daß diese Abkühlung auf die Stellen des
Werkstückes rückwirkt,
die noch nicht unmittelbar in den Bereich des Abschre@ckmittels gelangt sind. Diese
Erscheinung in Verbindung mit der bereits geschilderten Stromkonzentration in der
Symmetrieebene führen dazu, wie auch der Kurvenzug c deutlich erkennen läßt, daß
in der Nähe der Spülenmitte die Höchsttemperatur erreicht wird und daß die Temperatur
stetig abfällt bis zu dem Augenblick, wo die Abschreckwirkung eintritt, um dann
mehr oder weniger sprunghaft zur Normaltemperatur abzufallen. Die erwünschte Abschrecktemperatur,
die beim Austritt des Werkstückes aus der Spule bei E erreicht wird, war mithin
auf dem Wege durch die Spule etwa in der Spulenmitte nicht unerheblich überschritten.
Um eine Abhilfe gegen diese Überhitzung zu schaffen, ist es erforderlich, daß die
Temperaturverteilung in der Werkstückoberfläche etwa der Kurve b folgt, was aber
bei Anwendung bekannter Spulen nur dann gelingt, wenn die an sich notwendige Spritzeinrichtung
zum Abschrecken nicht in Tätigkeit gesetzt wird.
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Fig. 3 bis 5 geben Beispiele für die besondere Ausbildung der Spule
gemäß der Erfindung. Nach Fig. 3 ist eine mehrwindige Spule 2 mit einzelnen parallel
oder reihengeschalteten Windungen dargestellt, bei welcher der Durchmesser der Windungen
in Vorschubrichtung stetig abnimmt. Die Ausbildung des magnetischen Feldes ist durch
die Linien q. angedeutet. Bei nachgeordneter und eingeschalteter Spritzeinrichtung,
die in der Abbildung der Einfachheit halber fortgelassen ist, ist bei Bewegung des
Werkstückes i in Richtung des Pfeiles 6 bei 5 die Höchsttemperatur erreicht. Es
ist lediglich erforderlich, diese Temperatur durch geeignete Wahl der Spulenlänge,
Vorsch:ubgeschwindigkeit usw. so einzustellen, daß sie der gewünschten Abschrecktemperatur
entspricht In Fig. q. ist eine Spule dargestellt, die bezüglich der für die Windungen
gewählten Durchmesser in verschiedene Abschnitte unterteilt ist. Bei 3 sind zunächst
einige Windungen vorgesehen, die untereinander gleichen Durchmesser aufweisen. Die
Durchmesser der Windungen bei q. nehmen stetig ab, während die Durchmesser der Windungen
bei 5 wieder einander gleichbleiben. Je nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen
können, wie ohne weiteres verständlich; auch andere Kombinationen stetiger oder
mehr oder weniger sprunghaft wechselnder Spulendurchmesser vorgesehen werden.
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Nach Fig. 5 ist eine Spule 2 vorgesehen, deren Einzelwindungen, wie
bei Fig. 3, stetig abnehmenden Durchmesser aufweisen. Außerdem sind aber die Abstände
4 der Einzelwindurigen 3 voneinander verschieden groß gewählt, und zwar nehmen die
Abstände in Vorschubrichtung ab. Diese Maßnahme unterstützt die Wirkung, einer Spule
nach Fig. 3 oder q. und trägt mit dazu bei, daß die Entstehung der Höchsttemperatur
im Spulenende bei 5 erzwungen wird. Die Verringerung der Abstände q. zwischen den
Einzelwindungen kann entweder, wie in der Fig. 5 dargestellt, stetig erfolgen oder
mehr oder weniger sprunghaft sein.
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In manchen Fällen ist es beispielsweise aus elektrischen Gründen zweckmäßig,
nicht eine. mehrwindige, sondern eine einwindige Spule zu verwenden. Nach den Darlegungen
in Verbindung mit den Fig. i bis 5 wird verständlich sein, daß eine solche einwindige
Spule als Ring mit konischer Innenfläche auszubilden wäre, wobei die dem Werkstück
zugekehrten Flächen in Vorschubrichtung konisch auf die Werkstückoberfläche bzw.
die Spulenachse hin verlaufen. Der innen konische Ring müßte somit seinen geringsten
Durchmesser in der Nähe des Spulenendes E haben. Auch eine Linienführung der Innenfläche
entsprechend der Fig. q. wäre möglich, wie überhaupt gewisse Abweichungen von der
rein konischen Form zweckmäßig sein,können.
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Nach den Abbildungen sind die Windungen voll metallisch dargestellt.
Sie- können selbstverständlich auch als Rohre; z. B. Kupferrohre ausgebildet sein,
durch die Kühlflüssigkeit hindurchfließt. Ebenso kann auch bei der -einwindigen
Spule der konische Ring entweder aus Vollmetall bestehen oder hohl sein und gekühlt
werden. Die Erfindung ist ferner beschrieben an Hand Oberflächen zu härtender zylindrischer
Körper, wie Wellen, Walzen o. dgl. Die Spulen sind infolgedessen in ihren einzelnen
Abschnitten kreisförmig. Selbstverständlich kann die Erfindung sinngemäß auch auf
ovale, eckige oder Spulen sonstiger Ausbildungsform angewendet werden, wenn es sich
darum handelt, Werkstücke anderer Form oberflächlich zu härten Die genaue Form und
die genauen Abmessungen der anzuwendenden Spulen wird sich in jedem Fall auf Grund
der besonderen Betriebsbedingungen ergeben, d. h. also unter Berücksichtigung der
zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung, der Werkstoffeigenschaften des Werkstückes,
der verlangten Härteausbildung und -tiefe und nach der Stärke der Abschreckwirkung.