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Einrichtung zur Oberflächenhärtung von Metallgegenst nden.
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Kompensation'der Induktanz des Stromkreises sind Kondensatoren 24 und 26 vorgesehen, die zwischen den Schienen 17 und 21 liegen. Der Kondensator 24 ist so bemessen, dass er die für jede beliebige Folge von Arbeitsvorgängen erforderliche Mindestkapazität schafft. Der Kondensator 25 ist regelbar, um eine Anpassung der Kapazität bei Veränderungen für das Mindestmass hinaus zu gestatten. Gewöhnlich werden die Einstellungen des Regelkondensators nicht in der Weise bewirkt, dass man die Kapazität eines einfachen Kondensators verändert, vielmehr dadurch, dass man aus den Stromkreisen kleine Einzelkondensatoren oder Kondensatorelemente ausscheidet bzw. sie einschaltet.
Durch die Wirkung der Resonanz infolge des Vorhandenseins der Induktivität und der Kapazität lassen sich die Stromkreise so abstimmen, dass in der Primärwicklung des Transformators ein stärkerer Strom fliesst als in den Zuleitungen vom Generator. Infolgedessen führen die Schienen 17 und 21 viel mehr Strom als die Schiene 19 und müssen infolgedessen entsprechend stärker gehalten werden.
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Einstellung des Erregerstromes. Für die weiteren Einstellungen des Feldkreises dient ein Regelwiderstand 30 im Stromkreise des Feldes 31 der Erregermasc1 ! ine. Durch entsprechende Einwirkung auf die beiden Regelwiderstände 29 und 30 kann man Ausgangsspannung und-leistung des Generators 22 sehr genau und leicht steuern.
Für das richtige Arbeiten dieser Vorrichtung unter Voraussetzung einer bestimmten Frequenz des Generatorstromes sind verschiedene genaue Einstellungen dieser Vorrichtung notwendig, und die einzelnen Vorgänge müssen in richtiger Folge vor sich gehen. Nachdem die Induktionsglieder 11 und 12 in die Lage gebracht sind, in der sie den zu erhitzenden Gegenstand M umschliessen und nachdem ein guter Kontakt der Wicklungsteile bei 13 dadurch hergestellt worden ist, dass man ein die zwei Teile zusammenpressendes Organ,'z. B. eine Spannzwinge 32, angebracht hat, wird der Kondensator 25 auf die notwendige Kapazität und der Widerstand 29 auf den erforderlichen Anfangsstrom eingestellt.
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angeschlossen.
Die Heizdauer muss sehr genau geregelt werden ; hiezu muss, wie erwähnt, eine Zeitschaltvorrichtung vorgesehen sein, die nicht von der Aufmerksamkeit der Bedienung abhängt. Diese Zeitschalteinrichtung wird durch einen Motor 33 gesteuert, der mit möglichst konstanter Geschwindigkeit laufen und ein sehr niedriges Trägheitsmoment aufweisen soll, so dass er in einer immer gleichen und möglichst kurzen Zeit auf volle Geschwindigkeit gelangt. Diesen Anforderungen entspricht recht gut ein selbst anlaufender Synchronmotor. Dieser Motor treibt über ein entsprechendes Getriebe die bei 34 angedeutete Kontaktscheibe, die einen einstellbaren Kontakt 39 trägt. Nach Einstellung der Konden-
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wird. Die speisende Energie kann an sich beliebiger Art sein ; üblicherweise ist es ein Wechselstrom gebräuchlicher Spannung und Frequenz.
Nach Beginn der Energiezufuhr vom Generator 26 zur Primärspule 15 des Transformators beginnt sich die Zeitscheibe 31 mit einer im wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit infolge des Schliessens der Schalter 35 und 36 zu drehen. Die Bewegung des auf der Scheibe 34 befestigten Kontaktarmes aus seiner Anlassstellung, etwa bei A, über einen gewissen Winkel legt eine Zeitspanne fest, da ja die Geschwindigkeit der Scheibe bekannt ist. Sobald dieser Zeitabschnitt verstrichen ist, schliesst der Kontaktarm der Scheibe einen Stromkreis, dem Energie von einer bei 40 angedeuteten Stromquelle zufliesst, Statt der hier dargestellten Batterie wird gewöhnlich die Energie von den Leitungen 37 und 38 geliefert.
Die nacheinander erfolgende Schliessung von solchen Stromkreisen, die an Kontakte angeschlossen sind, über die der Kontakt 39 hinwegstreicht, setzt Relais oder Schaltspulen in Tätigkeit, die dazu dienen, die im Verlauf der Arbeitsvorgänge erfolgenden Arbeiten zu genau festgelegter Zeit einzuleiten und zu beendigen. In der verhältnismässig einfach dargestellten Anordnung werden die Schalter 23,35 und 36 von Hand geschlossen und auch die Einstellungen des Kondensators 25 und des Widerstandes 29 erfolgen von Hand.
Für die Wärmebehandlung einer Anzahl gleichartiger Gegenstände, die hier durch eine Welle 10 angedeutet sind, wird die Einstellung des Widerstandes 29 und des Kondensators 25 durch Erfahrung und Vorversuche mit gleichartigen Gegenständen festgelegt, wobei die Zusammensetzung des Werkstoffes, aus dem der Gegenstand besteht, wie auch seine Gestalt und Abmessungen einen bedeutsamen Einfluss auf die erforderlichen Einstellungen haben.
Bei der Benutzung des so weit beschriebenen Gerätes wird, wie folgt, vorgegangen : Nach Zuvoriger Ermittlung der Einstellungen des Kondensators 25 und des Widerstandes 29 werden die Teile der Induktionsspulell und12 in xichtigemabstand zurWelle10 gebracht und durch die Spannzwinge 32 so befestigt, dass bei 13 ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Wicklungshälften hergestellt wird. Dann werden der Kondensator 25 und der Widerstand 29 eingestellt und es wird der Schalter 23, unmittelbar nachher der Schalter 35 und mit ihm auch der Schalter 36 geschlossen. Der Hochfrequenzgenerator 22 liefert über die Schienen 17 und 19 Heizenergie zur PrinWspule jf5 des
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Transformators.
Aus der Sekundärspule 14 fliesst ein sehr starker Strom von in der Regel sehr niedriger
Spannung in die Induktionsspule 11 und 12. Der Strom in ihr induziert infolge des sogenannten"Skin- effekts"einen starken Strom bloss in den Oberflächenzonen des Gegenstandes 10 und infolge der
Hysteresiswirkung und des Ohm'schen Widerstandes des Gegenstandes werden die Oberflächenteile in wenigen Sekunden auf eine hohe Temperatur gebracht.
Unmittelbar beim Schliessen des Schalters 35, also beim Einsetzen der Heizzeit wird der Wider- stand 29 so eingestellt, dass dem Transformator die erforderliche Energie zugeführt wird. Es ist oft notwendig, die Einstellung des Widerstandes über einen grösseren Teil der Heizzeit fortzusetzen, weil in der Permeabilität und im Ohm'sehen Widerstand des erhitzten Gegenstandes infolge der zunehmenden
Temperatur Veränderungen eintreten. Auch infolge sonstiger Änderungen im Stromkreise und auch aus anderen Gründen können Schwankungen der Energiezufuhr auftreten, die ausgeglichen werden müssen.
Da der Schalter 36 gleichzeitig mit dem Schalter 35 geschlossen wird, beginnt die Zeitscheibe 34 und mit ihr der Kontakt 39 sich beim Beginn der Heizzeit zu drehen und führt eine ganze Umdrehung aus. Wenn die Drehung beispielsweise in dem Augenblick beginnt, wo sich der bewegliche Kontakt 39 bei A befindet (Fig. 1) und sich mit der Scheibe, wie angedeutet, in der Richtung des Uhrzeigers dreht, so berührt er kurzzeitig die Kontakte an den Punkten B bis F. Der Kontaktarm dient als Schalter für die Stromkreise, die von der Stromquelle 40 aus gespeist werden. In der Nullstellung der Scheibe liegt also das äussere Endes des Kontaktarmes bei. A. Dieser Punkt ist ein wenig im Uhrzeigerdrehsinn über den Punkt F hinaus vorgeschoben.
Im Augenblick der Schliessung des Schalters 35 wird die Heiz- energie dem Heizkreise zugeführt und im gleichen Augenblick läuft die Scheibe 34 von der vor dem
Kontakt F befindlichen Nullstellung A aus an. Der Heizstrom fliesst während der Zeit, in welcher der
Kontaktarm 39 von Punkt A bis zum Punkt C gelangt. Erreicht er diesen, so fliesst der Strom von der
Batterie 40 zu einer Schaltspule 41, die den Schalter 35 öffnet, so dass die Energiezufuhr zum Heiz- kreise aufhört. Im gleichen Augenblick wird eine Schaltspule 42, die der Spule 41 parallel geschaltet ist, erregt und gestattet durch Öffnung eines Ventiles 43 dem Abschreckmittel, frei über die erhitzten Flächenteile des Gegenstandes 10 zu fliessen.
Das Ventil 43 für die Spulenkühlung bleibt offen, während der Kontakt 39 von Punkt C zum
Punkt B wandert. Trifft der Kontakt 39 auf den Kontakt E, so erregt der Strom der Batterie 40 eine
Spule 44, die das Ventil 43 wieder schliesst und damit den Strom des Kühlmittels unterbricht. Die
Scheibe 34 mit dem Kontakt 39 läuft noch weiter bis zum Kontakt F, über den eine Schaltspule 45 erregt wird, die den Schalter 36 öffnet und damit den die Zeitscheibe antreibenden Motor ausschaltet.
Die Scheibe hat hiemit ihre Haltestellung am Kontakt F erreicht und wird durch ihren eigenen Schwung noch wenig weiter über den Kontakt F hinaus bis zum Anlaufpunkt A weitergedreht.
Da es unzweckmässig ist, den Leistungsschalter 35 im Hauptstromkreis in einem Augenblick zu öffnen, in dem ein starker Strom fliesst, ist dafür gesorgt, dass der Strom unmittelbar vor Öffnung des Schalters verringert wird. Zu diesem Zweck lässt man den Kontaktarm kurz vor Erreichen des
Kontaktes C auf einen Kontakt B treffen, über den eine Schaltspule 46 erregt wird, die bei 47 eine Überbrückung des erwähnten Widerstandes 28 öffnet und ihn dadurch mit dem Feldkreis des Generators in Reihe schaltet. Durch diese Einschaltung unmittelbar vor Öffnen des Hauptstromkreises wird der t Strom über den Leistungssehalter im Augenblick seiner Öffnung genügend verringert, um Schäden am
Schalter zu verhüten. Der Einschaltwiderstand 28 muss aus dem Feldkreis wieder herausgebracht werden, bevor der Generator wieder auf den Heizkreis geschaltet wird.
Das geschieht mittels eines
Kontaktes D im Wege des umlaufenden Kontaktarmes 39, über den eine Schaltspule 48 erregt wird, die den Anker 47 wieder in die Lage bringt, in der der Zusatzwiderstand 28 überbrückt ist.
Die Fig. 2 veranschaulicht in etwas grösserem Massstabe die Induktionsspule nach Fig. 1 mit
Zubehör und zeigt die besondere Anwendung der Erfindung auf eine Kurbelwelle, an der die Lager- zapfen zu härten sind. Bei dieser Ausführung sind die Mantelteile 49 und 49'der Spulenteile 11 und 12 durch Schrauben 50, 50'befestigt. Die Mäntel sind miteinander und mit einem Wasserleitungsrohr 77 durch ein Rohr 76 verbunden. In dem Rohr 77 liegt das oben erwähnte Ventil 43. Die Glieder 11 und 12 besitzen Kanäle in ihren Wandungen, die gegen den zu härtenden Gegenstand gerichtet sind ; wird das
Ventil 43 geöffnet, so strömt die Abschreckflüssigkeit durch die Kanäle auf die Oberfläche des Gegen- standes.
Isolierende Zwischenlagen 51 aus Gummi oder sonstigem nachgiebigen Stoff zwischen den
Mänteln 49, 49'und den Induktionsgliedern verhindern den Verlust an Abschreckflüssigkeit und be- schränken den Stromfluss auf die an der Welle anliegenden Teile der Induktionsspule 11 und 12.
Der untere Teil 12 wird durch Bolzen 52 an einem Fortsatz 53 befestigt, der von einem Zapfen 54 getragen wird ; der obere Teil der Induktionsspule 11 ist durch Bolzen 56 an einem scharnierartigen Teil 55 befestigt, der um den waagrechten Zapfen 57 um einen feststehenden Scharnierteil58 schwenkbar ist.
Der Fortsatz 53 und der ruhende Scharnierteil 58 sind an die Zuleitungsschienen 59 und 60 durch
Bolzen 61 und 62 angeschlossen und die Schienen sind an die beiden Enden der nur eine Windung auf- I weisenden Sekundärspule 14 des Transformators angelötet oder angeschweisst. Die Wicklungen der
Primärspule, die in Fig. 2 nur durch ein kurzes Leiterstück 63 angedeutet ist, sind voneinander und von der Sekundärspule isoliert.
Um die Zuführungsschienen 59 und 60 gegen mechanische Bean- sprucbungen bei der Handhabung der Vorrichtung zu schützen, werden die Enden der Stifte 54 und 57
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in nicht dargestellter Weise an ihren Enden in dem Rahmen abgestützt, der die Transformatorspulen trägt.
Bei Anlegung der Induktionsspule an die Kurbelwelle 10 wird ein Isolierspalt 64 zwischen den Gliedern 11 und 12 und ihren Stutzen aufrecht erhalten. Diesen Spalt hält man gewöhnlich möglichst gering, um Leistungsverluste zu vermeiden. Gewöhnlich beträgt er etwa An der andern Seite des Lagerzapfens 10 werden die Glieder dagegen bei 13 in festen leitenden Kontakt gebracht, um dadurch den Stromkreis rings um die Welle zu schliessen. Wie bereits erwähnt, ist die Spannung gewöhnlich niedrig und die Stromdichte an diesem Kontakt sehr hoch, so dass sehr geringe Unterschiede im Kontaktwiderstand an verschiedenen Punkten der Berührungsfläche schon beträchtliche Schwankungen in der Stromdichte an den verschiedenen Stellen hervorrufen könnten.
Das würde eine Ungleichmässigkeit der Erhitzung an verschiedenen Querschnittspunkten der zu beheizenden Zone zur Folge haben. Um einen gleichförmigen guten leitenden Kontakt zu erzielen, werden gewöhnliche Silberkontaktstreifen an den Flächen der Glieder 11 und 12 bei 13 vorgesehen. Für manche Zwecke kann man diese Streifen auch weglassen und statt dessen ein Stück feinmaschigen harten Kupfer-oder Bronzenetzes verwenden, das mit einem Zink, Kupfer oder einem sonstigen amalgamierbaren Werkstoff enthaltenden Amalgam überzogen ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung lässt sich auf die verschiedensten Gegenstände und für mancherlei Werkstoff anwenden. Mit besonderem Vorteil wird sie bei der Oberflächenhärtung von Wellen, die im Schmiedeverfahren aus Kohlenstoffstahl, Chrommolybdänstahl und Chromnickelmolybdänstahl gefertigt sind, verwendet. Kohlenstoffstähle sollen dabei im besonderen folgende Zusammensetzungen aufweisen :
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<tb> Kohlenstoff <SEP> ............. <SEP> 0-45 <SEP> bis <SEP> 0-55%
<tb> Mangan <SEP> 0-70 <SEP> bis <SEP> 1%
<tb> Phosphor <SEP> bis <SEP> 0-04% <SEP> im <SEP> Maximum
<tb> Schwefel <SEP> bis <SEP> 0'04% <SEP> im <SEP> Maximum
<tb> Chrom <SEP> 0-2 <SEP> bis <SEP> 0-3%.
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Wenn bessere Eigenschaften im Kern oder sonstigen, nicht gehärteten Teilen der Welle oder des sonstigen Gegenstandes verlangt werden, so hat ein Stahl der folgenden Zusammensetzung ausser- ordentlich gute Ergebnisse geliefert :
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<tb> Kohlenstoff <SEP> 0 <SEP> 4 <SEP> bis <SEP> 0-45%
<tb> Mangan <SEP> 0-7 <SEP> bis <SEP> 0-9%
<tb> Phosphor <SEP> bis <SEP> höchstens <SEP> 0-04%
<tb> Schwefel.................. <SEP> bis <SEP> höchstens <SEP> 0-04%
<tb> Chrom <SEP> 0-8 <SEP> bis <SEP> 1-1%
<tb> Molybdän <SEP> 0-15 <SEP> bis <SEP> 0-25%.
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