DE1003370B

DE1003370B - Verfahren und Einrichtung zum fortlaufenden induktiven Erwaermen von gleichartigen metallischen Werkstuecken

Info

Publication number: DE1003370B
Application number: DEW16918A
Authority: DE
Inventors: William A Emerson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1954-10-28
Filing date: 1955-06-21
Publication date: 1957-02-28
Also published as: US2828397A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum fortlaufenden induktiven Erwärmen von gleichartigen metallischen Werkstücken, insbesondere von Bohrungen u. dgl. in diesen Werkstücken, bei dem im Takte die einzelnen Werkstücke der induktiven Erwärmungseinrichtung zugeführt und die für die Erwärmung notwendige Kopplung zwischen den zu erhitzenden Werkstückteilen in der bzw. den mit Magnetkerzen versehenen Induktionsspulen hergestellt werden. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung soll eine gleichmäßigere und wirkungsvollere Erwärmung als mit den bisher bekannten Apparaten erreicht werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann sowohl für Niederwie auch für Hochfrequenz-Erwärmungsbehandlungen verwendet werden.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die induktive Behandlung von Werkstücken dadurch zu erleichtern, daß nur ein Teil der Erwärmungseinrichtung während der Behandlung bewegt wird, der leicht an Gewicht ist und verhältnismäßig einfach gegenüber der zu erhitzenden Werkstückoberfläche bewegt werden kann.

Ferner soll die Induktionseinrichtung nach der Erfindung mit einem Induktor versehen sein, bei dem mit geringen Kosten und geringem Aufwand eine enge Kopplung mit dem Werkstück bei geringen Toleranzen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden auch bei dem Verfahren und der Einrichtung zum fortlaufenden induktiven Erwärmen von gleichartigen metallischen Werkstücken, insbesondere von Bohrungen u. dgl. in diesen Werkstückteilen, im Takt die einzelnen Werkstücke der induktiven Erwärmungseinrichtung zugeführt und die für die Erwärmung notwendige Kopplung zwischen den zu erhitzenden Werkstückteilen und der bzw. den mit Magnetkern versehenen Induktionsspulen hergestellt. Erfindungsgemäß wird zum Koppeln bzw. zum Entkoppeln der induktiven Erwärmungseinrichtung mit dem in der Erwärmungsanlage befindlichen Werkstück jeweils nur der Magnetkern gegenüber der Induktionsspule und dem Werkstück bewegt. Hierzu ist der aus einer ein- oder mehrwindigen Spule bestehende Induktor beispielsweise in einer ringförmigen kanalartigen Vertiefung des aus magnetisch leitendem Material, beispielsweise aus Ferriten und ähnlichen pulverförmigen Materialien hergestellten Kernes angeordnet. Die ringförmige Vertiefung ist so ausgebildet, daß der Kern gegen die Induktionsspule derart bewegt werden kann, daß der Induktor in einer vorgegebenen Relativlage zum Werkstück befestigt werden kann und lediglich der Kern zur Herstellung der Kopplung zwischen zu behandelnder Werkstückoberfläche und Induktionsspule senkrecht zur Spulenachse in Richtung auf das Werkstück bewegt zu werden braucht. Der Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung liegt vor allem darin, daß keine schwierigen, beweglich ausgebildeten elektri-

Verfahren und Einrichtung

zum fortlaufenden induktiven Erwärmen

von gleichartigen metallischen

Werkstücken

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Oktober 1954

William A. Emerson, Baltimore, Md. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

sehen Verbindungen notwendig sind, da die Spule während der Wärmebehandlung nicht bewegt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung und der entsprechenden Beschreibung näher erläutert, wobei

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Behandlungseinrichtung nach der Erfindung zeigt, die für die Wärmebehandlung von vier Ventilsitzen eines Automobil-Motorenblocks oder ähnlichen Werkstückes verwendbar ist; in

Fig. 2 ist eine Aufsicht auf einen aus einer einwindigen Spule mit einem Kern nach der Erfindung bestehenden Induktor dargestellt;

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine Seitenansicht der Teile nach Fig. 2; in

Fig. 4 ist eine Aufsicht auf einen Induktor mit einer mehrwindigen Spule und entsprechendem Kern dargestellt, während

Fig. 5 im Schnitt eine Seitenansicht der Einrichtung nach Fig. 4 zeigt;

Fig. 6 und 7 zeigen weitere Induktionseinrichtungen mit mehrwindigen Spulen und Kernen nach der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein üblicher Energieerzeuger 10 dargestellt, der beispielsweise mit Hochfrequenzspannung eine Mehrzahl von Behandlungsplätzen 12, 14, 16 und 18 speist. An jedem Behandlungsplatz ist eine induktive Erwärmungseinrichtung vorgesehen, die aus einemKern20 und einer Induktionsspule 22 besteht. Die Induktionsspule 22 ist nur bei den Behandlungsplätzen 12 und 14 erkennbar, bei denen der Kern 20 aus der engen Kopplung mit dem Werkstück 24 und der Induktionsspule 22

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herausgehoben ist. Auf den Behandlungsplätzen 16 und 18 Zuführungen 42 und 44 erkennen läßt. Der Kernhaltesind die Kerne 20 in der für die Wärmebehandlung er- teil 34 ist in diesem Fall mit einem geringen Abstand von forderlichen Lage, d. h., sie sind mit dem Werkstück 24 der Achse des Kernes 20, in der in diesem Fall die Stromeng gekoppelt. Die Werkstücke werden auf einer beweg- zuführung 44 liegt, angeordnet.

liehen Fördereinrichtung 26, beispielsweise in Form eines 5 Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform der

endlosen Förderbandes, getragen. Induktionseinrichtung mit magnetisch leitendem Kern,

In Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Induktionsein- wobei der Kern 50 gegenüber der Spule 52 beweglich

richtung nach der Erfindung im Schnitt dargestellt, die ausgebildet ist. Der Kern 50 hat einen axialen Schlitz

beispielsweise auf allen vier Arbeitsplätzen 12, 14, 16 bzw. eine Öffnung 54 für die in der Achse des Kernes und und 18 in Fig. 1 verwendbar ist. Die Induktionsspule 22 io der Spule angeordnete Stromzuführung 56. Auch in

besteht aus einem einwindigen Induktorteil, vorzugsweise diesem Fall ist die Öffnung 54 so ausgebildet, daß eine

aus einem Kupferrohr. Der Durchmesser der Windung Relativbewegung zwischen Kern 50 und Spule 52

wird entsprechend dem Durchmesser der zu behandelnden möglich ist.

Ventilsitzoberfläche gewählt. Die Stromzuführungen zu Die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Fig. 1 ist der Induktionsspule 22 sind im wesentlichen parallel zu 15 folgende:

der Achse der Induktionsspule 22 geführt und durch- Das Werkstück 24 wird zweckmäßig im Takt bis in dringen den Kern 20 derart, daß der Kern in genügendem die dargestellte Lage bewegt, in der die zu behandelnden Ausmaße gegenüber der Induktionsspule 22 auf das bzw. Oberflächenteile, beispielsweise die Ventilsitze, gegenüber von dem Werkstück 24 bewegt werden kann. Er muß den Arbeitsplätzen 12,14,16 und 18 liegen. Die Kerne 20 mindestens so weit angehoben werden, daß das Werkstück 20 werden dann zum Werkstück hin abgesenkt, und zwar senkrecht zu den Achsen der Induktionsspule und damit entweder einer nach dem anderen, alle zusammen oder auch die zu erwärmenden bzw. zu härtenden Ventilsitz- aber einzeln, wie es gewünscht bzw. gefordert wird. Dann oberflächen 28 aus der Behandlungslage entfernt werden wird Spannung von der Spannungsquelle 10 den Indukkönnen. Die Stromzuführungen 30 und 32 der Induktions- tionsspulen 22 zugeleitet. Die Spule, der Kern und das spule 22 sind mit einem geringen Zwischenraum neben- 25 Werkstück sind dann in einer Relativlage, wie sie in den einander geführt, um mühelos eine gleichmäßige Erwär- Fig. 3 und 5 dargestellt ist, unabhängig davon, welcher mung der zu erwärmenden Werkstückoberfläche 28 auch Art die Induktionsspule selbst ist. Mit der mehrwindigen an den Stellen zu erreichen, wo die Stromzuführungen Induktionsspule 36 können grundsätzlich die gleichen mit der Induktionsspule verbunden sind. Der Magnet- Behandlungsformen durchgeführt werden wie mit der kern 20 ist so geformt, daß er die Spule im wesentlichen 30 einwindigen Spule 21, und es wird daher im weiteren die auf drei Seiten umgibt und daß er nur an der vierten Seite Durchführung der Behandlung nur an Hand der einwingeöffnet ist. Diese Öffnung ermöglicht es, daß der Kern digen Spule weiter erläutert. Jedoch kann die Verwendung gegenüber der Induktionsspule in im wesentlichen zu der einer mehrwindigen Induktionsspule 36 bei einigen AnAchse der Induktionsspule paralleler Richtung bewegt wendungsfällen Vorteile bringen, insbesondere wenn mit werden kann. Der Kern 20 ist daher nur auf der der zu 35 niederfrequenter Spannung gearbeitet wird. Nach der erhitzenden Werkstückoberfläche zugewandten Seite Wärmebehandlung werden die Kerne 20 wieder vom offen. Durch diese Ausbildung wird ein äußerst geringer Werkstück weiter entfernt, und zwar so weit, daß das Feldwiderstand um die Spulen 22 erzielt, mit dem Ergeb- Werkstück 24 in im wesentlichen senkrechter Richtung nis, daß die Behandlung wesentlich wirksamer als bei der zu den Spulenachsen bewegt werden kann. Hierbei kann Erwärmung mit kernlosen Induktionsspulen wird. Da 40 die Spannungsquelle dauernd eingeschaltet sein, und die die Induktionsspule in den Kern versenkt ist, haben die Energieübertragung auf die Werkstückoberfläche wird magnetischen Feldlinien nur den geringen Weg im Kern20 durch die Lage des Kernes 20 bestimmt, oder aber die zu durchdringen, bevor sie über einen geringen Luft- Spannung kann im Takte mittels einer nicht näher darzwischenraum auf die Werkstückoberfläche treffen. Die gestellten Schalteinrichtung, nachdem die Kerne die durch den Kern 20 erzwungene Feldlinienverteilung 45 Sollage für die Behandlung erreicht haben, eingeschaltet ergibt eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung über die werden.

gesamte zu behandelnde Oberfläche bei verhältnismäßig Die in Fig. 5 dargestellte Induktionseinrichtung kann geringer Erwärmungszeit. Ein Halteteil 34 ist für den am vorteilhaftesten bei der Hochfrequenzerwärmung verKern 20 vorgesehen, der so ausgebildet ist, daß er den wendet werden. Hierbei werden geringere Ströme beKern gegenüber der Spule bewegen kann. 50 nötigt, und die eventuell noch auftretende ungleichmäßige In der Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Einrichtung nach Erwärmung an den Stellen, an denen die Stromzuf üh-Fig. 3 dargestellt, aus der die Lage der Induktionsspule 22 rangen mit der Induktionsspule 20 in Verbindung stehen, im Kern 20 eindeutig erkennbar ist. Ebenso ist die Lage spielt praktisch keine Rolle mehr. Zwischen den Stromdes Kernhalteteiles 34 erkennbar, der so angeordnet ist, Zuführungen 30 und 32 sind übliche Isolierschichten vordaß er ohne störende Beeinflussung der Induktionsspule 55 gesehen. Keine besondere Isolierung ist dagegen zwischen den Kern bewegen kann. dem Induktor 22 und dem Kern 20 notwendig, da der In Fig. 5 ist eine Induktionseinrichtung mit einer mehr- Kern 20 vorzugsweise aus Ferriten und ähnlichem Mawindigen Induktionsspule 36 im Schnitt dargestellt, die terial hergestellt ist, so daß eine Isolierung bei den niewiederum von einem Kern auf drei Seiten umschlossen drigen verwendeten Spannungen nicht erforderlich ist. wird und in einem ringförmigen Kanal oder Vertiefung 38 60 Der Induktor ist in dem ringförmigen Kanal oder Verangeordnet ist. Wenn eine mehrwindige Induktions- tiefung des Kernes 20 so angeordnet, daß eine Vergleichspule 36 in dem Kern 20 angeordnet ist, wird dieser mäßigung des durch die Induktionsspule erzeugten Flusses zweckmäßig mit einem besonders beweglichen Teil 40 erreicht wird, wobei gleichzeitig die Einwirkung der versehen, der die Bewegung und den Einbau der Spule 36 Stromzuführungen 30 und 32 an der Verbindungsstelle erleichtert. Er muß so ausgebildet sein, daß der Kern 20 65 mit dem Induktor auf ein Minimum herabgesetzt wird, einschließlich dieses Innenteiles 40 durch den Tragteil 34 Die in Fig. 5 dargestellte Induktionseinrichtung ist vorgegenüber der Induktionsspule 36 bewegt werden kann. zugsweise bei niedrigen Frequenzen, insbesondere bei In Fig. 4 ist eine Aufsicht auf die Einrichtung nach Mittelfrequenzspannungen, verwendbar, die allerdings Fig. 5 dargestellt, die wiederum die Relativlage des höhere Ströme erfordern. Dementsprechend sind die Kernes 20, der mehrwindigen Spule 36 und der Energie- 70 Stromzuführungen 42 und 44 überlappt angeordnet, um

die durch sie bedingten Unregelmäßigkeiten des Feldbildes und damit in der Erwärmung zu verringern. Bei der dargestellten Einrichtung ist eine der Stromzuführungen 44 in der Achse der Induktionsspule angeordnet, und die andere Stromzuführung 42 ist im wesentlichen parallel zu der ersten Stromzuführung, aber in möglichst weitem Abstand zu dieser vorgesehen. Die ringförmige Vertiefung 38 im Kern 20 hat eine solche Tiefe, daß die Spule36 soweit versenkt werden kann, daß ein Teil des ringförmigen Kanals durch die Spule nicht mit ausgefüllt wird, um einen kurzen Streupfad zu erzielen, durch den leichter kleinere Unregelmäßigkeiten in der Flußverteilung bis zum Eintritt der Feldlinien in die zu erhitzende Oberfläche, beispielsweise den Ventilsitz 28, auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die in den Fig. 3 und 5 dargestellten Einrichtungen können besonders vorteilhaft bei Werkstücken verwendet werden, die verhältnismäßig schwer und unhandlich sind und nicht ohne weiteres gegenüber der Induktionsspule 22 bewegt werden können und wo andererseits die Induktionsspulen 22 nicht ohne weiteres gegenüber dem Werkstück bewegt werden können, da sonst schwierige elektrische Probleme auftreten würden. Der Kern 20 hat eine verhältnismäßig geringe Masse im Vergleich zu dem Werkstück 24 und ist der einzige Teil, der für die Wärmebehandlung zur Erzielung einer ausreichenden Kopplung bewegt werden muß.

Die Einrichtung nach Fig. 6 und 7 arbeitet ähnlich wie die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Einrichtungen, wobei der Kern 50 ebenfalls gegenüber der Spule 22 bewegt werden kann. Dadurch ist auch in diesem Fall die Fortbewegung der Werkstücke aus der Behandlungslage senkrecht zur Achse der Spule 52 möglich.

Die Ausführungsmöglichkeiten der Einrichtung nach der Erfindung sind nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die Induktionseinrichtungen nach der vorliegenden Erfindung für das Härten oder andere Wärmebehandlungen von Werkstücken verwendet werden, bei denen nach der Erhitzung ein Abschreckvorgang durchgeführt wird. Das Abschreckmedium kann beispielsweise aus dem Induktor 22 gespritzt werden, insbesondere derart, daß die Induktionsspule auf der der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstückes zugewandten Seite mit an sich bekannten öffnungen versehen ist. Die Kühlflüssigkeit kann aber auch durch den HalteteiT34 geführt werden, und in diesem Fall wird die Abschreckflüssigkeit od. dgl. auf die Werkstückoberfläche bereits vor oder während der Entfernung des Kernes von der Werkstückoberfläche auf diese gespritzt. Grundsätzlich kann der Kern gegebenenfalls mit der Spule gedreht werden oder auf eine sonstige Art und Weise gegenüber der Oberfläche des Werkstückes bewegt werden, um eine noch bessere Ausschaltung von Unregelmäßigkeiten bei der Erwärmung zu erreichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum fortlaufenden induktiven Erwärmen von gleichartigen metallischen Werkstücken, insbesondere von Bohrungen u. dgl. in diesen Werkstücken, bei dem im Takte die einzelnen Werkstücke der induktiven Erwärmungseinrichtung zugeführt und die für die Erwärmung notwendige Kopplung zwischen den zu erhitzenden Werkstückteilen und der bzw. den mit Magnetkern versehenen Induktionsspulen hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Koppeln bzw. Entkoppeln der induktiven Erwärmungsemrichtung mit dem in der Erwärmungslage befindlichen Werkstück jeweils nur der Magnetkern gegenüber der Induktionsspule und dem Werkstück bewegt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere für das Härten von Ventilsitzen und ähnlichen Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern die Induktionsspule an drei Seiten derart umfaßt, daß nur die dem Werkstück zugewandte Seite der Spule offenliegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, mit einer ein- oder mehrwindigen Induktionsspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule in einer ringkanalartigen Vertiefung des Magnetkernes angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal von der Induktionsspule nicht voll ausgefüllt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, für mehrwindige Induktionsspulen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem glockenförmig, die Induktionsspule umgebenden Mantelteil und einem koaxialen, den Innenraum der Spule gegen das Werkstück zu abdeckenden Hilfsteil (40) besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen