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Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken
Für das elektroinduktive Erhitzen von metallischen Werkstücken sind sowohl für die
Zwecke des oberflächlichen Erhitzens als auch für das durchgehende Erwärmen zwei
verschiedene Verfahrensarten entwickelt worden. Das eine Verfahren beruht darauf,
daß die induzierten Ströme sich in Richtung des Werkstückumfanges schließen, d.
h. also beispielsweise bei einem zylindrischen Körper in einer Querschnittsebene,
während beim anderen Verfahren die Ströme sich in der Oberflächenebene oder in Ebenen
schließen, die zur Oberfläche parallel verlaufen. Im ersten Fall bedient man sich
eines Induktors, der das Werkstück umschließt, und im zweiten Fall einer Leiterschleife,
die sich über dem Werkstück schließt. Welches der beiden Verfahren im vorkommenden
Einzelfall zu verwenden ist, ergibt sich aus den jeweiligen obwaltenden Bedingungen.
Für die benötigten Vorrichtungen sind die verschiedensten Maßnahmen vorgeschlagen
worden, die der Beeinflussung der Temperaturverteilung im zu behandelnden Werkstück
dienen. Die grundlegenden Verfahren und Vorrichtungen, durch die angedeuteten weiteren
Maßnahmen anpassungsfähig gemacht, haben sich im allgemeinen vorzüglich bewährt,
wenn die zu behandelnden Werkstücke eine nicht zu verwickelte Oberflächengestaltung
aufweisen.
Bei komplizierter Oberflächengestaltung ergeben sich
indes erhebliche Schwierigkeiten, wenn die Temperatur im Werkstück im gewünschten
Sinne verteilt werden soll, so beispielsweise, wenn es sich darum handelt, Werkstücke
mit Vorsprüngen, Ansätzen oder Zähnen (Zahnräder, Zahnstangen, Keilwellen usw.)
oder auch verwickelte Werkzeuge (Fräser, Bohrer, Drehlinge, Räumnadeln usw.) zu
behandeln. Bei einem Zahnrad beispielsweise oder einem ähnlichen geformten Teil
zeigt der induzierte Strom eine starke Neigung, sich auf einer Umfangslinie zu schließen,
die etwa der Begrenzung der Hauptmasse des Werkstückes entspricht. Infolgedessen
ergibt sich eine besonders starke Heizwirkung in der Nähe des Fußkreises der Zahnräder.
Wenn das Erhitzen einem Härten durch nachfolgendes Abschrecken dienen soll, so ist
die Härtewirkung an den Zahnfüßen besonders stark, während die Zahnflanken, auf
deren Härtung es wesentlich ankommt, wenig oder gar nicht beeinflußt werden. Es
ist zwar schon vorgeschlagen worden, diesen Schwierigkeiten zu begegnen, indem die
Ströme gezwungen wurden, vornehmlich in den Zähnen zu fließen und sich dort zu geschlossenem
Stromkreis zu schließen. Es ergeben sich durch dieses ältere Verfahren indes gewisse
Schwierigkeiten bezüglich der Stromverteilung.
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Die geschilderten Schwierigkeiten beim Behandeln verwickelter Werkstücke
werden durch das Verfahren gemäß der Erfindung vermieden. Dieses besteht darin,
in dem Werkstück gleichzeitig zwei oder mehrere sich in verschiedenen Ebenen schließende
Stromkreise zu induzieren, wobei mindestens zwei dieser Stromkreisebenen einen Winkel
einschließen, der vorzugsweise angenähert 9o° beträgt. Für die Behandlung eines
Körpers, der im wesentlichen zylindrisch ist, d. h. also kreisförmigen oder ähnlichen
Querschnitt aufweist, wird die eine Stromkreisebene parallel der Mantelfläche oder
in dieser selbst verlaufen., während die andere senkrecht zur Achse steht und mithin
in einer Querschnittsebene liegt. Die im Winkel zueinander stehenden Stromkreise,
die durch entsprechend gelagerte Magnetfelder zu induzieren sind, gestatten eine
weitgehende Steuerung der Temperaturverteilung im Werkstück. Bei Zahnrädern gelingt
es beispielsweise so, nicht nur die Zone in der Nähe des Fußkreises, sondern auch
die Köpfe und Flanken der Zähne zu erwärmen und durch anschließendes Abschrecken
zu härten. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung sind aber naturgemäß nicht nur auf
Zahnräder, Zahnstöcke, Werkzeuge u. dgl. anwendbar, sondern auch auf weniger verwickelte
Gegenstände, bei denen aus irgendwelchen Gründen eine besondere Steuerung der Temperaturverteilung
angezeigt erscheint. Insbesondere ergibt sich bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
eine besonders günstige Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie.
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Bei der Ausübung des Verfahrens kann die kombinierte Wirkung der durch
die verschiedenen zueinander gerichteten induzierten Ströme auch noch dadurch beeinflußt
werden, daß die Stärke der einwirkenden Magnetfelder und dadurch die Stärke der
induzierten Ströme unterschiedlich gestaltet wird.
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Zur Ausübung des Verfahrens werden in der einfachsten Form ein das
Werkstück umfassender Induktor und eine oder mehrere über der Oberfläche des Werkstückes
angeordnete Leiterschleifen vorgesehen. Diese Leiterschleifen können gemäß der Erfindung
auch in Aussparungen, Ausbuchtungen od. dgl. des Induktors untergebracht werden.
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Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Erfindung werden an Hand der
Zeichnungen in Abb. i bis 7 näher erläutert.
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Abb. i ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse beim Aufheizen
eines Rundzapfens, an dessen Stelle begrifflich beispielsweise ein Zahnrad od. dgl.
gesetzt werden könnte. Der induzierte Stromkreis a im Werkstück i schließt sich
in einer Ebene, die senkrecht zur Achse 3 des Werkstückes steht, der Stromkreis
4 dagegen in einer Ebene, die in der Mantelebene oder zu dieser parallel verläuft.
Beide Ebenen schließen mithin einen Winkel S ein, der 9o° beträgt. Dies wäre beispielsweise
eine geeignete Winkelstellung für die Behandlung eines solchen zylindrischen Körpers
oder aber auch für einen verwickelteren Körper in Form eines Zahnrades od. dgl.
In anderen Fällen wird eine andere Winkelstellung zweckmäßig sein, beispielsweise
wenn Nocken, Gelenkkreuze od. dgl. zu behandeln sind. Der Stromkreis z wird durch
einen Induktor induziert, der das Werkstück umschließt, während der Stromkreis 4
durch eine über der Werkstückoberfläche liegende Leiterschleife induziert wird.
Während der Behandlung wird in Richtung des Pfeiles R eine Relativbewegung zwischen
Heizgerät und Werkstück durchgeführt.
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Die beiden Induktoren können von der gleichen Stromquelle oder auch
von verschiedenen Stromquellen gespeist werden, und es kann durch geeignete an sich
bekannte Mittel dafür Sorge getragen werden, daß der Stromfluß in den beiden Heizleitern
unterschiedlich gestaltet wird. Es ist ohne weiteres verständlich, daß beispielsweise
auf dem Umfang des Werkstückes i eine größere Anzahl durch Leiterschleifen induzierte
Stromkreise 4 angeordnet werden kann, wenn dies im Einzelfall zweckmäßig erscheint.
Auch kann dabei die Anordnung getroffen werden, daß nur zwei oder eine gewisse Anzahl
der entstehenden Stromkreisebenen senkrecht oder angenähert senkrecht zueinander
stehen, während andere untereinander andere Winkelstellungen einnehmen.
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Wie gemäß der Erfindung bei der praktischen Ausbildung der Heizeinrichtung
vorgegangen werden kann, ergibt sich aus den nachfolgenden Abbildungen. In den Abb.
z und 3 ist schematisch die Abwicklung eines das Werkstück umschließenden Induktors
6 dargestellt. In einem bestimmten Zeitpunkt verläuft der Strom in diesem Induktor
in Richtung der Pfeile 7. Der Induktor 6 ist an einer Stelle 8 fensterartig ausgespart.
In diesem Fenster 8 ist eine Leiterschleife 9 untergebracht. Die Stromrichtung in
einem bestimmten Zeitpunkt ist für
diese Leiterschleife durch die
Pfeile io angedeutet. Im Fall der Abb.2 ist eine einwindige Schleife vorgesehen,
während gemäß Abb. 3 eine mehrwindige Schleife im fensterartigen Ausschnitt angeordnet
ist. Wie ersichtlich, verstärken sich insbesondere nach Abb. 3 in den Schmalabschnitten
i i des Induktors 6 die Ströme infolge der Gleichrichtung mit denjenigen der benachbarten
Leiterschleife g. Die Schaltung kann natürlich auch so vorgesehen werden, daß Aufhebung
der Ströme an dieser Stelle erfolgt oder aber, wenn in beiden Heizleitern verschieden
starke entgegengesetzte Ströme fließen, eine gewisse Minderung der Konzentration
eintritt. Hierdurch kann die Aufheizwirkung in axialer Richtung der zu behandelnden
Werkstückstelle beeinflußt und verschieden gestaltet werden.
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In Fällen, in denen dies mit Rücksicht auf die Werkstückform zweckmäßig
erscheint, können mehrere fensterartige Ausschnitte auf dem Umfang des Induktors
6 mit entsprechenden Leitern g versehen angeordnet werden.
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In Abb. 4 ist die Seitenansicht eines abgewickelten Induktors 6 mit
der in ihm während einer Phase herrschenden Stromrichtung 7 dargestellt. Die in
dieser Abbildung geschnittene Leiterschleife ist bei g angedeutet. Im Gegensatz
zu der Ausführungsform nach Abb. 2 und 3 ist der Induktor 6 nach Abb.4 nicht ausgespart,
sondern mit einem nischenförmigen Raum 12 versehen, in welchem die Leiterschleife
g untergebracht ist. Die Stromrichtung im Heizleiterg ist durch Pfeilspitzen und
-enden io angedeutet. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, mehrere derartige
nischenförmige Räume 12 und damit auch mehrere Leiterschleifen g auf dem inneren
Umfang des Induktors 6 vorzusehen. Auch ist es möglich, Vorrichtungen nach Abb.2
und 3 mit derjenigen nach Abb. q. in geeigneter Weise zu verbinden.
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In Abb. 5 ist wiederum ein das Werkstück umgebender Induktor 6 dargestellt,
dessen Stromrichtung während einer Phase durch den Pfeil 7 angedeutet ist. Der Induktor
ist bei 13 unterbrochen. An der Unterbrechungsstelle 13 ist in Reihenschaltung
mit dem Induktor 6 die Heizleiterschleife g vorgesehen. Die Stromrichtung in der
Heizleiterschleife ist durch die Pfeile io gekennzeichnet. Auch durch diese Anordnung
werden zwei zueinander in etwa senkrechten Ebenen fließende induzierte Ströme im
Werkstück erzeugt.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens, insbesondere der Ausführungsform
nach Abb. 5, wird der das Werkstück umfassende Induktor vollkommen aus der Aneinanderreihung
einzelner Leiterschleifen aufgebaut. Die einzelnen Schleifen tragen in Abb. 6 die
Bezugszeichen 14. Die Stromrichtung in diesen Schleifen während einer Phase ist
durch Pfeile io gekennzeichnet. In den Seitenteilen 15 der Einzelschleifen fließen
die Ströme in gleicher Richtung, so daß sich insgesamt eine Stromrichtung gemäß
Pfeilen 16 ergibt. Die einzelnen Seitenteile 15 setzen sich in ihrer Wirkung so
zusammen, daß sie derjenigen eines Induktors entsprechen, der das Werkstück geschlossen
umfassen würde. Durch diese beiden Induktoren wird ein induzierter Strom erzeugt,
der sich in einer Querschnittsebene schließt, während die Schleifen 14 jeweils zu
Strömen führen, die sich in der Oberfläche bzw. in Ebenen parallel der Oberfläche
schließen. Die in den Querschnittsebenen sich schließenden Ströme werden zweckmäßig
dazu ausgenutzt, mehr nach der Tiefe des Werkstückes zu wirken, während die von
den Leiterschleifen 14 induzierten Ströme mehr der Oberflächenwirkung dienen. In
Anwendung beispielsweise auf ein Zahnrad würden jene die Gegend des Fußkreises behandeln,
während diese an den Zahnköpfen bzw. Flanken zur Auswirkung gelangen würden.
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Der gegenseitige Abstand der Leiterschleifen 14 und die Formgebung
der Leiter beeinflußt die Stärke der einzelnen induzierten Ströme und damit die
Heizwirkung. Durch Änderungen in der Wahl der lichten Weite und der sonstigen Formgebung
ist daher eine weitgehende Einflußnahme auf die Erhitzungscharakteristik möglich.
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In Abb. 7 ist eine Vorrichtung nach Abb. 6 mit den Schleifen 14 und
den Seitenteilen 15 perspektivisch schematisch dargestellt. - Die Stromzuführung
ist bei 17, 18 angedeutet. Zusätzlich sind zwei das Werkstück umfassende
Induktoren ig und 2o vorgesehen, die neben, über oder unter den Seitenteilen
15 angeordnet werden können. Sollen nun die Magnetfelder, die durch die Seitenteile
15 erzeugt werden, verstärkt werden, so würden die beiden Induktoren ig und 2o im
Verhältnis zur Stromrichtung im Hauptheizgerät in Richtung der Pfeile 2i, 22 zu
speisen sein. Soll eine Schwächung erfolgen, so ist die Speisung dieser beiden Induktoren
in Richtung der Pfeile 23, 24 vorzunehmen. Die beiden Hilfsinduktoren ig und 2o
können mit dem Hauptinduktor entweder in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung
liegen, wobei sich die Schaltart jeweils nach den zur Verfügung stehenden Stromstärken
usw. richtet.
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Verfahren undVorrichtungen gemäß derErfindung sind anwendbar auf die
verschiedensten Gegenstände, insbesondere auf solche mit verwickelt gestalteter
Oberfläche, wie beispielsweise Maschinenteile mit Zähnen und Vorsprüngen, wie Zahnräder,
Zahnstangen, Keilwellen usw., oder Werkzeuge, wie Fräser, Bohrer, Drehlinge, Räumnadeln
und ähnliche. Die zu behandelnden Werkstücke können auch aus Stahl hergestellt sein
oder aber aus anderen elektroinduktiv zu beeinflussenden Werkstoffen, wie Metallen
od. dgl., bestehen. Auch bei der Herstellung von Gleitlagern kann das Verfahren
vorteilhaft angewendet werden.