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Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken
Bekanntlich kann man Werkstücke oder Werkstückteile dadurch erhitzen, daß in der
Nähe dieser Teile stromführende Spulen angeordnet werden, welche mit einem elektrischen
Strom höherer Frequenz gespeist werden. Durch die im Werkstück entstehenden Wirbelströme
erfolgt die gewünschte Erhitzung, welche an der Oberfläche beginnend in Abhängigkeit
von der Höhe der Frequenz stattfindet. Dieses Verfahren wird sowohl für die teilweise
oder durchgehende Erhitzung von metallischen Werkstücken als auch für deren Oberflächenhärtung
verwendet, wobei dann anschließend ein Abschrecken mit einem Kühlmittel erfolgt.
Bei der Oberflächenhärtung wird ,eine Härteschicht nur dort erzielt, wo Wirbelströme
fließen. Im allgemeinen ist es erwünscht, eine möglichst gleichmäßige Ausbildung
der Härteschicht zu erreichen bzw. die Eindringtiefe der Härtung an allen Stellen
des Werkstückes beliebig zu beeinflussen.
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Es gibt jedoch auch Fälle, bei denen die Eindringtiefe der Erwärmung
und damit die Härtetiefe nicht gleichmäßig ausgebildet sein soll. Beispielsweise
wird vielfach verlangt, daß ein Werkstück nur an bestimmten Stellen der Oberfläche
oder einseitig mit einer dünnen Härteschicht versehen wird.
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Die Lösung dieser Aufgaben ist mit den bisher bekannten Vorrichtungen
schwer möglich. Es sind zwar bereits verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden,
um beispielsweise eine gleichmäßige
Oberflächenhärtung von Zapfen
zu erzielen, die von unsymmetrischen Werkstückteilen begrenzt werden, wie beispielsweise
ein Zapfen einer Kurbelwelle. Es ist jedoch hierzu ein verhältnismäßig großer Aufwand
an zusätzlichem Werkstoff erforderlich oder aber die gewünschte Wirkung tritt nicht
in hinreichendem Maße ein. Auch den Kopplungsgrad bei gleichbleibendem Querschnitt
des Heizleiters unterschiedlich zu gestalten, ist vorgeschlagen worden. Dieses Mittel
ist ebenfalls umständlich und führt nicht mit Sicherheit zum gewünschten Ergebnis.
Bei Rückleiterästen von Induktoren, die nicht aufheizend auf das Werkstück, sondern
nur abschirmend gegenüber der Umgebung wirken sollen, ist auch schon gänzlich auf
eine Kopplung mit dem Werkstück verzichtet worden, wobei gleichzeitig diese Rückleiter
andere Querschnittsabmessungen aufweisen als die dem Werkstück eng benachbarten
Heizleiter.
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Demgegenüber wird zur Vermeidung der Nachteile bekannter Vorrichtungen
gemäß der Erfindung vorgeschlagen, bei einer über die gesamte Erstreckung des Heizleiters
bestehenden Kopplung zum Werkstück den Leiterquerschnitt gegenüber Werkstückteilen
mit erhöhtem Wärmebedarf kleiner zu gestalten als gegenüber Werkstückteilen mit
geringerem Wärmebedarf oder gegenüber solchen, die praktisch keine Aufheizung erfahren
sollen. Der Leiterquerschnitt des Heizleiters wird somit längs der Oberfläche des
zu erwärmenden Werkstückes in Richtung der Strombahnen ungleich ausgebildet. Die
Erfindung ermöglicht auf diese Weise erst, Werkstücke oder Werkstückteile an der
Oberfläche mit einer Härteschicht verschiedener Tiefe und Ausdehnung zu versehen,
im Grenzfall sogar eine teilweise oder nur einseitige Erhitzung und damit Härtung
herbeizuführen. Auch kann Ungleichmäßigkeiten der Erwärmung infolge elektrischer
Streuungen und unterschiedlicher Wärmeabfuhr begegnet werden.
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Zur näheren Veranschaulichung der Erfindung sollen die Verhältnisse
beim Erwärmen eines Zapfens betrachtet werden, der von zwei unsymmetrischen Werkstückteilen
(Kurbelwangen) begrenzt wird. Nach dem Bekannten wird die gleichmäßige Eindringtiefe
dadurch erzielt, daß die Kopplung zwischen Heizgerät und Werkstück exzentrisch ausgebildet
wird. Es kann aber auch durch Ausgleichsstücke, welche auf die unsymmetrischen Werkstückteile
aufgesetzt werden, eine gleichmäßige Eindringtiefe sichergestellt werden. Die Erfindung
löst die Aufgabe, eine gleichmäßige Erhitzungstiefe über den ganzen Umfang des zu
härtenden Werkstückteils zu erzielen auf Grund folgender Überlegungen: Annähernd
sind die erzeugten Wirbelströme im Werkstück ein Abbild der Heizströme im Heizgerät
mit einer Phasenverschiebung von etwa 18o°. Es wird nun das Ileizgerät so ausgebildet,
daß an Stellen großer Streuung und großer Wärmeabfuhr ein geringerer Leiterquerschnitt
vorgesehen wird als an Stellen kleiner Streuung und kleiner Wärmeabfuhr. Hierdurch
wird gemäß der Erfindung der Vorteil erzielt, daß an Stellen großer Streuung und
Wärmeabfuhr eine Konzentration der Stromfäden im Heizgerät in unmittelbarer Nähe
des Werkstückes erzielt wird. An Stellen geringer Wärmeabfuhr und Streuung wird
diese Konzentration vermieden. Da die Wirbelströme im Werkstück nach dem oben Gesagten
annähernd ein .Abbild der Heizströme sind, ist auch die Konzentration der Wirbelströme
an Stellen großer Wärmeabfuhr größer als an Stellen geringer Wärmeabfuhr.
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Das Heizgerät wird nun so ausgebildet, daß nicht nur die Verschiedenheit
der Wärmeabfuhr ausgeglichen wird, sondern auch ein Ausgleich der verschiedenen
Streuungen eintritt. Naturgemäß erfolgt die Erhitzung der Werkstückoberfläche an
den Stellen stark konzentrierter Wirbelströme schneller als an solchen Stellen,
an denen die Wirbelströme weniger stark konzentriert sind. Demgemäß wird an Stellen
großer Wärmeabfuhr zunächst eine höhere Oberflächentemperatur erzwungen, so daß
die beschriebene Streuung und Wärmeabfuhr vollständig ausgeglichen wird.
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Die Abb. i und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
für die Härtung von Kurbelzapfen in Längs- und Querschnitt. Es ist hierbei nicht
von Bedeutung, ob das Heizgerät ein- oder mehrwindig ausgebildet ist und unmittelbar
oder über einen Zwischentransformator an die Energiequelle angeschlossen wird. i
sei der an der Oberfläche zu härtende Zapfen, welcher von den unsymmetrischen Werkstückteilen
2 begrenzt wird. 3 ist das in diesem Beispiel einwindig ausgebildete Heizgerät.
Gemäß der Erfindung hat dieses an Stellen großer Wärmeabfuhr und Streuung einen
geringeren Querschnitt 4 als an den Stellen geringer Wärmeabfuhr und Streuung (vgl.
bei 5).
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Sind die zu härtenden Werkstücke von Teilen begrenzt, deren Querschnitt
sich sprunghaft ändert, so wird die Spule nicht wie in Abb. i und 2 mit kontinuierlich
sich änderndem Leiterquerschnitt versehen, sondern mit sprunghaften Änderungen des
Querschnittes.
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Ist die Ausbildung der begrenzenden unsymmetrischen Teile verschieden,
so erfolgt die Ausbildung des Heizgerätes gemäß _Abb. 3 derart, daß die Querschnittveränderung
des Heizleiters sowohl in Richtung der Strombahnen als auch senkrecht dazu erfolgt.
Die Ausbildung des Heizgerätes kann auch lamellenförmig sein, wie in :1b1. q dargestellt.
Das Heizgerät besteht aus Kupfer, in welchem Lamellen 29 aus Isolierstoff eingesetzt
sind, die verschieden tief in den Kupferkörper hineinragen. Der Querschnitt 27 ist
für die Ausbildung der Erhitzungstiefe maßgebend, während der Querschnitt 28 nur
zur Vergrößerung der Kühlflächen und zur Verstärkung des Heizgerätes dient.
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Weiterhin kann das Heizgerät auch finit senkrecht zur Strombahn verlaufenden
Schlitzen versehen sein, durch welche eine Konzentration der Erhitzung im Werkstück
gegenüber den nicht geschlitzten "feilen des Heizgerätes erfolgt.
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Soll als Heizgerät eine mehrwindige Spule Verwendung finden, so wird
in diesem Falle der
pulenquerschnitt jeder einzelnen Windung an
den S 1
erforderlichen Stellen vergrößert oder verkleinert oder nach dem Erfindungsgedanken
lamellenförmig oder geschlitzt ausgebildet.
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Die beschriebene Vorrichtung ist jedoch nicht auf die Verwendung zur
Behandlung runder, zylindrischer Werkstücke beschränkt. Gemäß dem Erfindungsgedanken
kann auch jedes anders geformte Werkstück in einer vorher zu bestimmenden Art, Ausdehnung
und Tiefe erhitzt werden.
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Die Abb. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
für die einseitige Oberflächenhärtung von langgestreckten Werkstücken wie beispielsweise
Platten oder Blechen in Ansicht und Aufsicht. Auch zum einseitigen Erhitzen von
Schienen o. dgl. ist eine solche Anordnung verwendbar.
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Das Werkstück 31 soll in der Zone 32 erhitzt werden. Hierzu
wird das ein- oder mehrwindige Heizgerät 33 verwendet, welches entsprechend der
Erfindung in der Nähe der zu erhitzenden Oberfläche mit geringem Querschnitt 34
ausgeführt ist, während der Querschnitt 36 gegenüber den nicht zu erhitzenden Teilen
verhältnismäßig groß ist. Die Wirkung kann dadurch verstärkt werden, daß die Kopplung
zwischen Werkstück und Heizgerät an den zu erhitzenden Stellen geringer ist als
an den nicht zu erhitzenden Stellen. Um in dem gezeichneten Beispiel eine Überhitzung
der Werkstückkanten zu vermeiden, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bereits
vor oder an diesen Stellen der Querschnitt 35 des Heizleiters kontinuierlich oder
sprunghaft verstärkt werden. Außerdem kann auch hier eine Vergrößerung der Kopplung
37 vorgesehen werden. Die Vergrößerung des Heizleiterquerschnittes ist bei diesem
Beispiel sowohl in Richtung der Werkstückoberfläche als auch senkrecht dazu zulässig.
In beiden Fällen wird die gewünschte Wirkung erzielt. Die genaue Ausbildung des
Leiterquerschnittes richtet sich in jedem Fall nach der Werkstückform und nach der
Beschaffenheit der geforderten Härtezone, der Frequenz und Leistung der Energiequelle
und nach der erwünschten Erhitzungszeit.
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Die Abb. 7 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
eine Anordnung zum Erhitzen der Oberfläche von dünnen Werkstückteilen, beispielsweise
Sägen. In diesem Fall soll das Werkstück 41 nur an der Stelle 42 erhitzt werden.
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Hierzu wird das Heizgerät so ausgebildet, daß es gegenüber der nicht
zu erhitzenden Werkstückoberfläche mit größerem Querschnitt 44 bei großer Kopplung
47 ausgeführt wird. Gegenüber dem zu erhitzenden Teil der Werkstückoberfläche 42
wird jedoch ein geringer Querschnitt 43 mit geringer Kopplung 48 vorgesehen. In
diesem Fall ist das Heizgerät mehrwindig ausgebildet, der Strom wird durch die Zuführung
45 an einem Spulenende zugeführt und durch 46 entsprechend vom anderen Spulenende
weggeführt.
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Abb. 8 zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens für das
Erhitzen von Werkstücken, bei denen ein Überhitzen der äußeren Kanten vermieden
werden muß. Gemäß dem Erfindungsgedanken wird die Konzentration der Wirbelströme
durch einen geringen Heizleiterquerschnitt an der Seite des Werkstückes erzielt,
während die Überhitzung der Kanten durch einen großen Leiterquerschnitt und große
Kopplung vermieden wird.
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In Abb. 9 und io ist ein Beispiel des Erfindungsgedankens für die
Oberflächenhärtung von langgestreckten Teilen mit ebener oder annähernd ebener Oberfläche,
beispielsweise Blechen, dargestellt, wobei Abb. 9 eine Ansicht und Abb. io eine
Aufsicht der gleichen Vorrichtung ist. Das über dem Werkstück angeordnete, beispielsweise
ein- oder mehrwindige Heizgerät ist so ausgebildet, daß der hintere Teil der Windungen
52 großen Querschnitt erhält, während der vordere Teil des Heizgerätes 53 geringen
Querschnitt aufweist. Während bei der Verwendung eines Heizgerätes gleichen Ouerschnittes
bei dieser Anordnung eine ovale Erhitzungszone im Werkstück auftreten würde, bildet
sich bei der Anordnung gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung nur eine gestreckte,
schmale Erhitzungszone aus. Dieses ist für die Oberflächenhärtung langer Werkstücke
von außerordentlichem Vorteil. Erstens wird der Verzug während der Härtung durch
die geringe Ausdehnung der Erhitzungszone auf ein Minimum beschränkt, zweitens ist
bei der dargestellten Ausbildung des Heizgerätes das Auftreten zweier Erhitzungszonen
gleicher Stärke und damit auch ein zu tiefes Eindringen der Erhitzung in das Werkstück
vermieden. Der Teil 52 der Erhitzungsspule dient hierbei auf Grund seines großen
Querschnittes und der damit verbundenen geringen Konzentration der Wirbelströme
zur Vorwärmung auf niedere Temperaturen, während die eigentliche Rufheizung erst
unter dem Teil des Heizgerätes erfolgt, welches den geringen Querschnitt 53 aufweist.
Während bei den bekannten Anordnungen eine Überhitzung der Werkstückkanten nicht
vermieden werden konnte, wird bei der beschriebenen Anordnung eine völlig gestreckte,
gleichmäßige Erhitzungszone dadurch erzielt, daß in der Nähe der Werkstückkanten
der Querschnitt 54 des Heizgerätes 53 verstärkt wird. Hierdurch wird an den Kanten
eine größere Streuung und demgemäß eine geringere Konzentration der Wirbelströme
hervorgerufen, so daß eine vollkommen gleichmäßige Erhitzungszone erzielt wird.
Naturgemäß kann auch hier die Kopplung verschieden gestaltet werden, beispielsweise
kann bei 53 eine enge Kopplung 56 und bei 52 eine weite Kopplung 57 vorgesehen werden,
die sich unter den Teilen 5¢ allmählich erweitert, 58.