DE975798C - Magnetoinduktive Erwaermungseinrichtung - Google Patents

Description

Beim elektroinduktiven, insbesondere Oberflächenerhitzen von Werkstücken, die in der Form von zylindrischen oder ähnlichen Rotationskörpern, beispielsweise Kurbelwellenzapfen, vorliegen, sind bereits Schleifeninduktoren bekanntgeworden, bei denen die aus Kupferrohr bestehende, mit fließendem Wasser gekühlte Windung des Schleifeninduktors der zylindrischen Form des Werkstückes angepaßt ist. Die Lagerschleife derartiger bekannter Induktoren bedeckt dabei, in Umfangsrichtung gesehen, höchstens die halbe Mantelfläche. Das Werkstück kann dabei während des Erhitzungsvorganges mehrmals umlaufen.

Vorrichtungen dieser Art haben sich bewährt sowohl in bezug auf die Ausnutzung der elektrischen Energie als auch in bezug auf das zu erzielende Erzeugnis. Eine vorteilhafte Eigenschaft der Vorrichtung ist dabei die, daß, sofern nicht Werkstücke behandelt werden sollen, die in ihrem Durchmesser stark unterschiedlich sind, ein und dieselbe Vorrichtung benutzt werden kann. Es entfällt mithin eine große Lagerhaltung an Leiterschleifen für die Behandlung von Werkstücken verschiedenen Durchmessers. Auch bezüglich der Temperaturverteilung sind die Ergebnisse im allgemeinen zufriedenstellend. Indes besteht ein Bedürfnis, die Temperaturverteilung auf dem zu behandelnden Werkstückabschnitt in stärkerem Maße beeinflussen zu können und außerdem eine Möglichkeit zu schaffen, mit einer vorhandenen Vorrichtung

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Werkstückabschnitte verschiedener axialer Länge behandeln zu können.

Eine Leistungsregelung ist aber bei den bekannten Induktoren nur in der Weise möglieh, daß lediglich einzelne Zonen der zu erwärmenden Zylinderfläche sprungweise stärker beaufschlagt sind· Es sind auch schon Schleifeninduktoren bekanntgeworden, die eine etwa rechteckige Leiterform aufweisen und die zur Erwärmung von W-erkstücken mit ihrer Fläche parallel zur Fläche des Werkstückes verlaufen. Es hat sich aber bei diesen Induktoren gezeigt, daß besonders an den Randzonen verhältnismäßig schmaler Werkstücke Überhitzungen auftreten. Um diese Überhitzungen zu vermeiden, wurde deshalb vorgeschlagen, die Ebene der Induktionsschleife während der Erwärmung senkrecht zur Werkstückebene' zu halten. Dadurch wurde zwar eine Überhitzung der Randzonen vermieden, es ist aber mit derartigen Induktoren nicht möglich, eine beliebige Verteilung der Einwirkzeit des Induktors über die Breite beispielsweise einer zu erhitzenden Zylinderfläche eines Werkstückes zu erreichen. Außerdem ist es von Nachteil, daß der Induktor nicht auf seiner gesamten Länge mit dem Werkstück gekoppelt ist, so daß ein Streufluß auftritt und der Induktor nicht in seiner gesamten Breite für die Erwärmung ausgenutzt werden kann.

Nun erfordert aber das gleichmäßige Härten von zylindrischen Oberflächen, welche in axialer Richtung begrenzt sind wie etwa Kurbelwellenzapfen, eine besonders genaue und kontinuierlich veränderliche Dosierung.

Was die Forderung nach größeren Möglichkeiten der Beeinflussung der Temperaturverteilung in Achsrichtung anbelangt, so ergibt sich die Lösung der Aufgabe aus der Überlegung, daß die Projektion der Gesamtheizleiterschleife auf das Werkstück für die Einwirkdauer des Magnetfeldes während des Umlaufes des Werkstückes maßgebend ist. Je größer die Einwirkdauer in einem Projektionsabschnitt ist, um so größer ist die an dieser Stelle im Werkstück erzielte Temperaturerhöhung. Bei einer rechteckigen Leiterschleife, wie sie schon vorgeschlagen wurde, ergeben sich infolgedessen stärkere Erwärmungen an den Enden des Gesamtwirkraumes, weil hier das Werkstück während seines Umlaufes längere Zeiten unter der Einwirkung der in Umfangsrichtung liegenden Teile der Heizleiterschleife steht, während in den Mittelteilen des Gesamtwirkraumes, in denen sich nur die in Achsrichtung erstreckenden Leiter befinden, eine geringere Heizwirkung beobachtet wird. Es sind zwar Abhilfemaßnahmen bekanntgeworden, die in verschiedener Wahl der Heizleiterbreiten in einzelnen Abschnitten bestehen, jedoch ist hier- . durch nicht in allen Fällen eine Steuerung der Heizwirkung in gewünschtem Umfang möglich.

Um die Erwärmungseinrichtung an zylindrischen Flächen verschiedenster Abmessungen und wärmetechnischer Eigenart anzupassen, wird gemäß der Erfindung eine magnetoinduktive Erwärmungseinrichtung mit das Werkstück höchstens zur Hälfte umfassendem oberflächenparallelem Schleifeninduktor für axial begrenzte, mit einer in Achsrichtung gleichmäßig mit einer Härteschicht zu versehenden zylindrisehen Oberfläche eines rotierenden Werkstückes vorgeschlagen. Die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß mechanische oder hydraulische Mittel zum nachgiebigen Andrücken des Schleifen-Induktors an die zu erhitzende Oberfläche vorgesehen sind und die Summe der Steigungsbeträge aller jede Werkstückzone überstreichenden Äste zweier in axialer Richtung getrennt verschiebbarer Schleifen sich mit dem zonal zu vergrößernden oder verringernden Wärmebedarf des Werkstückes vergrößert oder verringert. Mit einer derartigen Induktionseinrichtung ist eine Beeinflussung der Temperaturverteilung in Achsrichtung in weitem Maße möglich. Darüber hinaus eröffnet dieser Vorschlag die Möglichkeit, die Heizvorrichtung auf verschiedene axiale Längen der zu behandelnden Werkstückabschnitte einzustellen. Dies kann dadurch geschehen, daß die Heizleiterschleifen zueinander durch parallele Verschiebung längsgerader Begrenzungsseiten der Schleifen einstellbar ist.

Die beiden Heizleiter werden in ihrer Lage zueinander einstellbar gestaltet, so daß in weitem Maße eine Einstellung des Gesamtwirkbereiches beider Heizleiter auf die axiale Länge des zu behandelnden Werkstückabschnittes möglich ist. Die Einstellung der Heizleiterschleifen zueinander wird dabei gemäß der Erfindung durch Parallelverschiebung längsgerader Begrenzungsseiten der Schleifen bewirkt. Diese Art der Verschiebung zur Einstellung der Schleifen zueinander wird dann anzuwenden sein, wenn die Schleife Dreiecksform oder Halbringform aufweist. Wenn dagegen die Heizleiterschleife eine kontinuierliche Kurvenform, beispielsweise Kreisringform, aufweist, so erfolgt die Einstellung zueinander durch Abrollen längs einer Kurve, wobei jeweils die geringste Annäherung zwischen beiden Schleifen sich in einem einzigen Punkt befindet. Als zusätzliche Maßnahme ist es ferner möglich, unmittelbar benachbarte Teile der Leiterschleifen in jeder Phase entweder mit gleichgerichtetem oder entgegengesetzt gerichtetem Strom zu speisen. Im einen Fall wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Gesamtwirkraum erreicht, im anderen Fall eine gesteigerte no Temperaturerhöhung in der Nähe der unmittelbar benachbarten Schleifenteile.

Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst Bezug genommen auf Abb. 1. In dieser Abbildung ist in schematischer Darstellung eine rechteckige Heizleiterschleife 1 gezeigt. Die beiden Zuführungen sind mit ihrer Isolation 3 bei 2 angedeutet. Unter der Heizleiterschleife ist schaubildartig über der Achsrichtung des Werkstückes die Einwirkdauer der Schleife auf die Werkstückoberfläche während des Werkstückumlaufes dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Kurve 4 der Einwirkdauer ihre höchsten Werte bei 5 erreicht, während im Mittelabschnitt 6 die Wirkdauer geringer ist. Sie beträgt etwa nur ein Viertel der Einwirkdauer der Stellen bei 5. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Tempe-

raturerhöhung an den Enden des Gesamtwirkraumes gegenüber dem Mittelteil.

Die Abb. 2 stellt einen Heizleiter 1 in Form eines Dreiecks dar, dessen Zuleitungen bei 2 gegeneinander isoliert, 3, dargestellt sind. Die Spitze des Dreiecks ist dabei in Umfangsrichtung des umlaufenden Werkstückes gelegt.

Unter der Heizleiterschleife ist die Kurve 4 der Einwirkdauer entsprechend der Darstellung in Abb. ι aufgetragen. Die Dreicksform des Heizleiters hat, wie ersichtlich, eine Vergleichmäßigung der Einwirkdauer und damit auch der erzielten Temperaturerhöhung auf der gesamten axialen Länge des zu behandelnden Werkstückes zur Folge.

In Abb. 3 ist in entsprechender Darstellung ein Heizleiter 1 in Halbkreisform dargestellt. Die Kurve 4 der Einwirkdauer zeigt eine etwas längere Heizdauer an den Enden des Gesamtwirkraumes als im Mittelteil. Soll das Minimum im Mittelteil der Kurve 4 ausgeglichen werden, so ist dies in einfacher Weise dadurch zu erreichen, daß der gerade Teil der Leiterschleife breiter gewählt wird, wie bei 7 gestrichelt angedeutet. Das Ergebnis wäre eine gestrichelte Kurve 8 der Einwirkdauer. In den Abb. 4 und 5 sind weitere Ausführungsformen von Heizleiterschleifen dargestellt, die je nach der gewünschten Form der Kurve für die Heizdauer über dem Gesamtwirkbereich anzuwenden sind. Die Rautenform nach Abb. 4 und die Kreisringform nach Abb. 5 haben besondere Vorteile bezüglich der Ausnutzung der elektrischen Energie. Namentlich die Kreisringform nach Abb. 5 ergibt eine besonders günstige magnetische Übertragung der Leistung auf das Werkstück, da die von dem Kreisring umschlossene Fläche 9 größte Ausdehnung bei geringstem Umfang aufweist, d. h., der eigentliche Heizleiter 1 ist in bezug auf die umschlossene Fläche besonders kurz.

Eine Heizvorrichtung, die mit Leiterschleifen gemäß der Abb. 2 bis 5 ausgerüstet ist, kann zwar zur Behandlung von Werkstücken benutzt werden, deren Durchmesser voneinander abweichen, wenn diese Abweichung nicht allzu große Beträge ausmacht, dagegen ist ihre Anwendung beschränkt auf solche Fälle, in denen die axiale Länge des zu behandelnden Werkstückabschnittes der größten Breite der Leiterschleife in Achsrichtung entspricht. Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch ausgeglichen, daß zwei Heizleiter gleicher oder spiegelbildlich gleicher Form zur Erzeugung eines der axialen Länge nach einstellbaren Gesamtwirkbereiches zusammengesetzt werden. Beide Schleifen können dabei parallel oder in Reihe geschaltet sein, wodurch sich eine besonders günstige Ausnutzung der elektrischen Energie ergibt.

In Abb. 6 sind zwei halbkreisringförmige Leiter 1 etwa entsprechend den Heizleitern nach Abb. 3 vorgesehen. Die beiden Heizleiter sind in Richtung der Pfeile 10 parallel verschiebbar, so daß Einstellungen zwischen größter axialer Länge des Gesamtwirkbereiches (Abb. 6) und der geringsten axialen Länge möglich sind, nämlich dann, wenn beide Leiter sich zu einem vollen Kreisring ergänzen.

In Abb. 7 ist eine der vielen möglichen Zwischenlagen dargestellt. Die Speisung der beiden Heizleiter ι soll entgegengesetzt gerichtet sein, so daß die Stromrichtung in einer Phase, wie durch Pfeile 6 dargestellt, insbesondere in den geraden benachbarten Teilen entgegengesetzt gerichtet ist. Unter den Heizleitern ist jeweils die Kurve 4 der Heizdauer aufgezeichnet. Die von den Heizleiterschleifen erzeugten Kurven 4 sind untereinander gleich. In der Mitte des Gesamtwirkbereiches zeigt die Gesamtkurve 4 eine verhältnismäßig starke Einbuchtung 12. An dieser Stelle würde daher an sich durch die geringe Einwirkdauer eine geringere Heizwirkung zu beobachten sein, indes wird diese Wirkung ausgeglichen durch eine gewisse Steigerung der Einwirkdauer bei 13. Die Gesamtwirkung beider Heizschleifen in der in Abb. 6 dargestellten gegenseitigen Lage führt mithin zu einer gleichmäßigen Temperaturerhöhung auf der gesamten überspannten axialen Länge des Werkstückes.

Die Verhältnisse, die dann eintreten, wenn die beiden Heizleiterschleifen in Richtung der Pfeile 10 parallel zueinander \^rerschoben werden, um einen Werkstückabschnitt geringerer axialer Länge behandeln zu können, sind in Abb. 7 dargestellt. Die Kurve der Einwirkdauer hat die Form 4, und zwar besitzt diese im Bereich des Mittelteiles zwei Maxima 14, zwischen denen ein Gebiet 15 etwas erhöhter Einwirkdauer gegenüber dem restlichen Teil der Einwirkzone liegt. Wie die Erfahrung lehrt, gleichen sich jedoch diese Spitzen zu einer gleichmäßigen Temperaturerhöhung auf der gesamten axialen Länge des Wirkbereiches aus. Werden* die beiden Heizleiterschleifen 1 so weit zueinander verschoben, daß sie sich zu einem vollen Kreisring ergänzen, so erhält der Kurvenzug die Form 4'. Diese Kurvenform entspricht weitestgehend der Kurvenform, die ein Heizleiter 1 (Abb. 1) erzeugt.

Die Ausbildung gewisser Maxima in bezug auf die Einwirkungsdauer an den Enden des Gesamt-Wirkungsbereiches lassen Vorrichtungen gemäß Abb. 6 und 7 geeignet scheinen für solche Fälle, in denen der zu behandelnde Werkstückabschnitt von irgendwelchen größeren Massen begrenzt ist, die eine Wärmeableitung befürchten lassen. Ist dagegen der zu behandelnde Werkstückabschnitt nicht von irgendwelchen größeren Massen begrenzt, so erscheint es zweckmäßig, sich einer Vorrichtung gemäß Abb. 8 zu bedienen. Die Heizleiter 1 haben Dreiecksform und sind spiegelbildlich gleich. Sie werden zueinander verschoben in Richtung des Pfeiles 10. Bei einer Stellung, wie sie in der Abb. 8 angedeutet ist, ergibt sich eine Kurve der Wirkdauer 4. Nach den Randgebieten fällt die Kurve, wie bei 16 angedeutet, langsam ab. Wenn die beiden Heizleiter in einer Stellung zueinander benutzt werden, in der sie sich zu einer Raute ergänzen, so ergibt sich eine Kurve der Wirkungsdauer 4'. Auch hier ist ein langsamer Abfall an den Enden bei ιό erreicht. Im übrigen unterscheidet sich die Kurve, abgesehen von einer vollkommen

geraden Ausbildung im Mittelteil, nicht wesentlich von der Kurve, die die beiden Leiterschleifen in anderen Relativstellungen zueinander erzeugen.

Soll unter Anwendung der Dreiecksform für die Heizleiterschleife die Behandlung von Werkstücken ermöglicht werden, deren aufzuheizende Zone von starken Werkstoffanhäufungen begrenzt wird, so wird eine Anordnung nach Abb. 9 zu wählen sein, wobei dann die gegenseitige Verschiebung der dreieckigen Leiterschleifen 1 in Richtung des Pfeiles 10 erfolgt.

Je nachdem, welchen Erfordernissen entsprochen

werden muß, können auch andere Formen für die Heizleiterschleifen zur Anwendung gelangen, so beispielsweise zwei quadratische Schleifen gemäß Abb. 10.

Bei den einzelnen Vorrichtungen gemäß Abb. 6 bis 10 lassen sich zusätzliche Wirkungen dadurch erzielen, daß die Stromrichtung in jeder Phase in den einzelnen Heizleiterschleifen so gewählt wird, daß sie in unmittelbar benachbarten Teilen nicht entgegengesetzt, sondern gleichgerichtet ist. Während bei entgegengesetzter Stromrichtung in diesen unmittelbar benachbarten Leiterteilen eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Gesamtwirkraum erzielt wird, würde man bei entgegengesetzter Richtung eine gesteigerte Temperaturerhöhung in der Nähe der unmittelbar benachbarten Schleifenteile erzielen. So würde beispielsweise in den Abb. 9 und 10 bei Wahl einer Stromrichtung 11' für den einen Heizleiter sich in einer auf das Werkstück projizierten Zone 17 eine starke Temperaturerhöhung ergeben.

Während nach den Abb. 6 bis 10 die Heizleiterschleifen gerade Begrenzungsflächen aufwiesen oder zum mindesten die Parallelverschiebung zur gegenseitigen Einstellung längs der geraden Linie erfolgte, ist es auch möglich, bei Leiterschleifen in Kurvenform die Verschiebung längsgebogener Begrenzungsflächen vorzunehmen.

In Abb. 11 ist eine Vorrichtung dargestellt, die aus zwei kreisringförmigen Leiterschleifen 1 besteht. Zur Veränderung der auf die Werkstückoberfläche projizierten Wirkfläche wird die eine Leiterschleife längs einer Kurve 10 abgerollt, wobei die geringste Annäherung zwischen beiden Schleifen jeweils in einem Punkt besteht. Die projiziert^ Wirkfläche 18 wird größer, wenn die Bewegung im wesentlichen in Richtung 10' stattfindet, sie wird kleiner, wenn sie in Richtung 10" erfolgt. Stehen die beiden Heizleiterringe, bezogen auf die Darstellung, senkrecht übereinander, so ist die aufgeheizte Fläche am schmälsten, sie ist am breitesten, wenn die Heizleiterringe waagerecht nebeneinander stehen. Eine derartige Vorrichtung bewirkt in jeder möglichen axialen Stellung der Heizleiterschleifen zueinander die gleiche Heizdauer, in Achsrichtung des Werkstückes gesehen.

In Abb. 12 sind zwei Heizleiter 1 von etwaSteigbügelform dargestellt. Die Verschiebung erfolgt ebenfalls auf einer Kurve, die bei 10 angedeutet ist.

Die Tatsache, daß in Vorrichtungen gemäß

Abb. 11 und 12 die beiden Heizleiter nur in einem Punkt unmittelbar benachbart sind, hat zur Folge, daß die Ströme der beiden Heizleiter sich gegenseitig nicht wesentlich beeinflussen. Es kann daher, ohne daß eine Änderung in der Gesamtheizwirkung eintritt, die Speisung der Schleifen gleichsinnig oder gegensinnig erfolgen.

Gelegentlich kann es erforderlich sein, einen Werkstückabschnitt zu behandeln, dessen axiale Länge auf dem Umfang verschieden groß ist, d. h. also eines Abschnittes, dessen Endbegrenzungen Wellenform aufweisen oder mit gewissen Absätzen versehen sind. Der Forderung, einen solchen Abschnitt zu erhitzen, kann dadurch genügt werden, daß den beiden Heizleiterschleifen eine gegenseitige Hin- und Herbewegung oder eine Bewegung erteilt wird, die längs Kurven erfolgt, entsprechend der Verschiebung bei Vorrichtungen gemäß Abb. 11 und 12. Diese Hin- und Herbewegung kann in Anpassung an den Umlauf des Werkstückes entweder kontinuierlich oder absatzweise erfolgen. Die Steuerung kann durch Kurvenscheiben od. dgl. erfolgen.

Die Heizleiter der Ausbildungsformen Abb. 6 bis 12 gemäß der Erfindung sind in den Zeichnungen der Einfachheit halber als einwindig dargestellt worden. Selbstverständlich können an Stelle der einwindigen Heizleiter auch mehrwindige benutzt werden. Wann mit Vorteil ein- oder mehrwindige Schleifen benutzt werden sollten, ergibt sich unter Berücksichtigung der vorhandenen Erzeugeranlage bzw. der Schaltung, d. h. ob unter unmittelbarem Stromanschluß an den Erzeuger oder unter Zwischenschaltung von Transformatoren gearbeitet werden soll. Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind beschrieben in Verbindung mit Maßnahmen, bei denen das im wesentlichen zylinderförmige Werkstück während des Erhitzens mehrmais umläuft. Vorrichtungen der beschriebenen Art können aber auch in einem gewissen Umfang verwendet werden, wo es darauf ankommt, ebene oder gekrümmte Werkstücke im fortschreitenden Verfahren zu erhitzen und jeweils nach erreichter Härtetemperatur abzuschrecken.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Magnetoinduktive Erwärmungseinrichtung mit das Werkstück höchstens zur Hälfte umfassendem, oberflächenparallelem Schleifeninduktor für axial begrenzte, mit einer in axialer Richtung gleichmäßig mit einer Härteschicht zu versehenden zylindrischen Oberfläche eines rotierenden Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische oder hydraulische Mittel zum nachgiebigen Andrücken des Schleifeninduktors an die zu erhitzende Oberfläche vorgesehen sind und die Summe der Steigungsbeträge aller jede Werkstückzone überstreichenden Äste zweier in axialer Richtung getrennt verschiebbarer Schleifen sich mit dem zonal zu vergrößernden oder verringernden Wärmebedarf des Werkstückes vergrößert oder verringert.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Einstellung der Heizleiterschleifen zueinander durch Paralellverschiebung längs gerader Begrenzungsseiten der Schleifen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einstellung der vorzugsweise kreisringförmigen Heizleiterschleifen zueinander durch Abrollen längs einer Kurve bei jeweils geringster Annäherung zwischen beiden Schleifen zu einem Punkt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar benachbarte Teile der Heizleiterschleifen in gleicher Phase mit gleich- oder entgegengesetzt gerichtetem Strom gespeist werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Gesamtwirkraum oder eine gesteigerte Temperaturerhöhung in der Nähe unmittelbar benachbarter Schleifenteile zu erzielen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Buch von P. V. Wologdin: »Oberflächenhärtung nach dem Induktionsverfahren«, 1939, Moskau und Leningrad, S. 157, 158, 222 der deutsehen Übersetzung.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 209 692/8 10.