DE1009736B - Einrichtung zum induktiven Erwaermen von Vertiefungen, Aushoehlungen und aehnlichen Hohlkoerper-Innenflaechen, insbesondere zum Erhitzen von Ventilsitzen fuer die Haertung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Erwärmungseinrichtung für die Wärmebeihandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere für die Wärmebehandlung der Innenfläche von Hohlkörpern, wie Ventilsitzen u. dgl.

Durch die sieh fortlaufend wiederholenden Stöße der Ventile von Verbrennungskraftmaschinen auf die ihnen zugeordneten Ventilsitze ist es für die Erhaltung der Betriebsfähigkeit notwendig, daß die Oberflächen der Ventilsitze -gehärtet werden. Hierbei ist es ebenso schwierig, die Wärmebehandlung auf die Oberflächen der Ventilsitze zu begrenzen wie auch die hohe erforderliche Temperatur für die Oberflächenhärtung und die Eindringtiefe zu erreichen. Bekannte Behandlungseinrichtungen für Oberflächenhärtung in Bohrungen u. dgl. haben den Nachteil, daß der magnetische Fluß der Induktionsspule nicht ohne weiteres auf die zu behandelnde Fläche, beispielsweise den Ventilsitz, begrenzt werden kann, und es tritt daher ein Streufluß in die umgebenden Werkstückflächen ein. Auch wenn Spulen mit wenigen Windungen in die zu behandelnden Höhlungen eingeführt werden, müssen beim Entwurf dieser Spulen die elektrischen Verluste und Streufeldeffekte beachtet werden. Das hat zur Folge, daß der Spulenaufbau kostspielig wird und auf Grund der einzuhaltenden geringen Toleranzen auch schwierig herstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für die induktive Erwärmung von Innenflädhen metallischer Hohlkörper, wie Ventilsitze u. dgl., zu schaffen, insbesondere von solchen, die gehärtet werden sollen. Die Einrichtung nach der Erfindung soll die Erhitzung der Oberflächen auf hohe Temperaturen bei gleichzeitiger Begrenzung auf die geforderte Eindringtiefe ermöglichen. Dementsprechend soll mit der Einrichtung die Konzentration des magnetischen Flusses auf die zu behandelnde Werkstückoberfläche verbessert werden. Ferner soll die Kühlung der Induktionseinriehtung wie auch die Abschreckvorrichtung für die Werkstückoberfläche verbessert werden. Schließlich soll die Einrichtung nach der Erfindung so ausgebildet sein, daß sie wirtschaftlich in der Herstellung und einfach und widerstandsfähig im Aufbau ist.

Für die Lösung ähnlicher Aufgaben hat man bereits sogenannte Konzentratoren verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie unbedingt einen Schlitz gegenüber der zu behandelnden Fläche aufweisen, wodurch in der Regel eine ungleichmäßige Stelle auf der Härteflädhe bedingt wird. Im Gegensatz hierzu wird bei der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Konzentration durch Verringerung des Streuflusses hervorgerufen. Dabei sind auch bei der Einrichtung nach der Erfindung ein vorzugsweise

Einrichtung zum induktiven Erwärmen

von Vertiefungen, Aushöhlungen und

ähnlichen Hohlkörper-Innenflächen,

insbesondere zum Erhitzen von

Ventilsitzen für die Härtung

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 21. Juni 1954

William A. Emerson, Baltimore, Md.,

Rober-t-M. Baker, Catonsville, Md.,

und Francis B. Jaworski, Baltimore, Md. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

spulenförmiger Induktor und ein in diesem angeordneter Magnetkern vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist jedoch der Magnetkern an seiner dem Werkstück zugewandten Seite mit einer der Form der zu erhitzenden Verbindung angepaßten Verlängerung versehen, und zwischen der Induktorspule und diesem Verlängerungsteil, unmittelbar an diesen anschließend, sind ein oder mehrere den Kern zumindest teilweise umschließende geschlitzte Abschirmringe aus nichtmagnetischem, elektrisch gut leitendem Material vorgesehen. Der Kern wird zweckmäßigerweise aus einem pulverförmigen Stoff, beispielsweise Eisenpulver (sogenannten Ferritkern), hergestellt.

Die schneckenförmige Induktionsspule wird an eine übliche, vorzugsweise hochfrequente elektrische Spannungsquelle angeschlossen und erzeugt dadurch einen magnetischen Fluß, der durch den Kern hindurchtritt, da dar Kern einen wesentlich geringeren magnetischen Widerstand als die umgebende Luft hat. Beim Eintritt des Kernes in das Werkstück hat jedoch der Fluß die Neigung, zu streuen und in sämtliche benachbarten Teile des Werkstückes einzutreten.

Der geschlitzte Abschirmring erzwingt jedoch eine Begrenzung auf die vorgeschriebene zu erhitzende

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Oberfläche des Werkstückes mit der geforderten ge- keiten gegenüber diesem Kühlsystem möglich, beiringen Eindringtiefe der Hitze. spielsweise derart, daß der Kühlkanal 36 geteilt ist, Weitere Einzelheiten der Einrichtung nach der Er- wobei die beiden Teile am Kopfende der Bohrung mitfmdung werden an Hand .der Zeichnung näher er- einander in Verbindung steten, so daß von der einen läutert, wobei in den einzelnen Figuren für die 5 Hälfte die Zuführung und von der anderen Hälfte die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen gewählt Abführung des Kühlmittels gebildet wird. Selbstworden sind. verständlich ist es auch möglich, den Kern durch-Fig. 1 stellt eine Vorderansicht der Induktions- zubohren und das Wasser im Durchlauf durch diese einrichtung nach der Erfindung mit einem Teilschnitt Bohrung zu führen. Der Vorteil der dargestellten Eindurch das Werkstück dar; io richtung ist darin zu sehen, daß das Kühlwasser ge-Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des ge- rade an den am stärksten erhitzten Stellen in den schlitzten Abschirmringes nach Fig. 1; Kern eintritt, zumal an diesem Teil noch Wärme von Fig. 3 stellt einen Längsschnitt durch eine Ein- dem erhitzten Werkstück auf den Kern abgestrahlt richtung nach der Erfindung, aus der das Kühlsystem wird. Ein weiterer Vorteill der Einrichtung, wie sie in für den Kern erkennbar ist, dar; 15 Fig. 3 dargestellt ist, ist darin zu sehen, daß die Kübl-Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mittelzu- und -abfuhr an der dem Werkstück abWeiterbildung des geschlitzten Abschirmringes mach gewandten Seite des Kernes angeordnet ist, so daß bei Fig. 2, wie er beispielsweise in der Einrichtung nach der Einführung des Kernes in das Werkstück die Fig. 3 verwendet wird; Bohrung nicht durch die Zuführungs- bzw. Ab-Fig. 5 zeigt eine Ansicht einer induktiven Er- 20 führungsleitung für das Kühlmittel behindert wird, wärmungseinrichtung nach der Erfindung, bei der Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Einder geschlitzte Abschirmring hohl zur Durchführung richtung nach der Erfindung bei der laufenden Ereiner Kühlflüssigkeit, die zugleich als- Abschreck- hitzung in Maschinen bzw. bei der Serienherstellung flüssigkeit dienen kann, geeignet ist, und verwendet wird.

Fig. 6'zeigt eine perspektivische Ansicht des ge- 35 In der Fig. 4 ist der Abschirmring 20 nach der schlitzten Abschirmringes nach Fig. 5. Fig. 3 näher dargestellt. Auch dieser Teil hat prin-Im einzelnen zeigt die Fig. 1 einen Kern 14 aus zipiell die Form eines Ringes und besteht aus unmagnetischem Material hoher Permeabilität und magnetischem, elektrisch gut leitendem Material, niedriger elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Eisen- Jedoch ist in Abänderung zu dem Abschirmring 18 pulver od. dgl. Dieser Kern 14 muß so groß bemessen ₃₀ nach Fig. 1 der Abschirmring aus einer Mehrzahl von sein, daß er den normalen magnetischen Fluß leiten gegeneinander isolierten koaxial angeordneten Ringen kann, ohne daß durch Wirbelströme und die damit zusammengesetzt. In der Fig. 4 sind zwei koaxiale verbundene Erwärmung eine Überhitzung des Ringe 22 und 26 dargestellt, die durch den Isolier-Materials auftreten kann. Auf dem vorzugsweise ring 24 voneinander getrennt sind. Jeder der beiden zylindrischen freien Ende des Kernes 14 iist koaxial ₃₅ Abschirmringe 22 und 24 ist mit einem Schlitz verdie schneckenförmige Spule 8, die zweckmäßig eine sehen, so daß sie keinen geschlossenen elektrischen Mehrzahl von Windungen hat, angeordnet. Das dem Pfad für induzierte Ströme bilden. Die Aufteilung des Werkstück zugewandte bzw. in das Werkstück hinein- Absohirmringes in zwei konzentrische Ringe und ragende Ende des Kernes 14 ist mit eimer der zu be- deren Aufschlitzung verringert ebenfalls die elekhandelnden Bohrung bzw. Höhlung entsprechenden 40 irischen Verluste.

Form ausgestaltet. In den Figuren ist das Werkstück In der Fig. 5 ist eine Indu!ktionseinrich.tung dar-10 — ein Ventilsitz — im Schnitt dargestellt, um die gestellt, bei der in Abänderung zu der Einrichtung Lage des Kernes in der Bohrung übersichtlicher dar- nach Fiig. 1 der Ahschirmring als Hohlleiter 28 ausstellen zu können. Der geschlitzte Abschirmring in gebildet ist, wie es in Fig. 6 noch im einzelnen gezeigt Form eines Ringes 18 ist auf dem Kern 14 zwischen 45 ist. Durch diese Ausbildung kann, ein Kühl- bzw. Abder Spule 8 und dem in das Werkstück hineinragenden Schreckmittel in den Konzentratorteil geleitet werden, Teil des Kernes angeordnet. Von dem Werkstück 10 so diaß das Werkstück nach der Erhitzung von hier soll der mit 12 bezeichnete Teil der Oberfläche erhitzt aus abgeschreckt werden kann. Für die Zuführung des bzw. gehärtet werden. Der Abschirmring 18 nach der Kühlmittels sind an dem als Hohlleiter 28 ausErfindung kann beispielsweise aus Kupfer oder Silber, 50 gebildeten Abschirmring Kanäle 40, 42 vorgesehen. d. h. also einem unmagnetischen, elektrisch gut leiten- Auf der dem Werkstück zugewandten Oberfläche des dem Material bestehen. Hierbei ist zu beachten,, daß Hohlleiters ist eine Mehrzahl von Bohrungen 32 vorje höher der Widerstand des Metalls für den Ab- gesehen, durch die der Kühlmittelstrom aus dem schirmring ist, um so größer sind auch die Energie- Kanal 30 des Hohlleiters 28 auf das Werkstück 10 geverluste in dem Abschirmring. Dieser Abschirmring 55 spritzt werden kann. Auch dieser Hohlleiter 28 ist wie kann für die Lösung der Erfindung in verschiedenen die bereits geschilderten Absidhirmringe geschlitzt und Abwandlungen ausgebildet sein. Der Abschirmring wird ebenfalls aus einem nichtmagnetischen, elektrisch 18 ist z. B. zur Vermeidung hoher elektrischer Ver- gut leitenden Material, wie Kupfer u. dgl., hergestellt, kiste geschlitzt, wie es aus Fig. 2 näher erkennbar ist. Selbstverständlich ist es auch in diesem Fall möglich, In der Fig. 3 ist eine Induktionseinrichtung dar- 60 in Anlehnung an den in Fig. 4 dargestellten Abgestellt, bei der in Abwandlung zu Fig. 1 der Kern 16 schirmring mehrere koaxial angeordnete und voneinmit einer Bdhrung versehen und außerdem ein ab- ander isolierte Hohlleiterringe vorzusehen. Grundgewandelter Abschirmring 20 vorgesehen ist. In den sätzlich ist es aber auch möglich, nur einen Ring als Kühlkanal 36, der zur Verhinderung einer Über- Hohlleiter auszubilden, während die anderen Ringe hitzung des Kernes vorgesehen ist, ragt vorzugsweise 65 aus vollem Material hergestellt sind, koaxial eine Zuführungsleitung 34 bis nahe an das Bei Versuchen ist festgestellt worden, daß der Abdem Werkstück zugewandte geschlossene Ende der stand zwischen dem Konzentratorteil 18 und der zu Bohrung hinein, während die Bohrung an. dem offenen erhitzenden Oberfläche nur 1V2 mm betragen muß, um Ende in einen Abführungsschlauich od. dgl. 38 mündet. die Erhitzung in der gewünschten Begrenzung zu er-Selbstverständlich sind auch Abänderungsmöglich- 70 halten. Hierbei war die Induktionsspule 8 an eine

Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossen, so daß ein magnetischer Fluß durch den Kern 14 hinduirchtrat. Der magnetische Fluß wurde durch die Einwirkung des Absdiirmringes 18 bei Austritt aus dem dem Werkstück zugewandten Ende des Kernes in dem Werkstück derart zusammengebündelt, daß eine Begrenzung auf die zu erhitzende Fläche eintrat. Diese Wirkung beruht darauf, daß viele örtliche Ströme in dem Abschirmring 18 entstehen, die jeder für sich ein magnetisches Feld erzeugen, das den einzelnen Feldlinien des Hauptfhisses, die außerhalb der durch den Kern 14 begrenzten Ebene austreten würden, entgegengerichtet ist. Dadurch wird der magnetische Fluß zusammengefaßt und ist gezwungen, aus dem Kern nur auf den Teilen herauszutreten, die der Werkstückoberfläche direkt gegenüberliegen. Dieses ist das Grundprinzip, nach dem der Abschirmring wirkt, und alle weiteren dargestellten Ausführungsformen arbeiten nach diesem Prinzip mit gewissen Abänderungen. Der in das Werkstück 10 über die zu erhitzende Oberfläche 12 eintretende Fluß erzeugt hier Wirbelstrom«, die eine Erwärmung bzw. Erhöhung der Temperatur innerhalb der vorgeschriebenen begrenzten Oberfläche erzeugen, wobei auf Grund des Skineffektes bei den hohen Frequenzen die Hitze auf eine geringe Eindringtiefe beschränkt bleibt.

Die Erwärmungseinrichtung nach Fig. 3 arbeitet — wie schon oben gesagt ·— nach dem gleichen Prinzip, jedoch ist bei dieser Einrichtung ein Kühlsystem für den Kern 16 vorgesehen. Bei längeren Arbeite-Perioden und hoher spezifischer Strombelastung treten im Kern durch Wirbelstromverluste Erwärmungen auf, die — falls die Wärme nicht ausreichend abgeführt wird — gegebenenfalls zur Herabsetzung der Wirkung des Kernes bzw. zu dessen Zerstörung führen könnten. Deshalb ist zur Wärmeabführung das Kühlsystem vorgesehen, wobei durch die Zuführung 34 das Kühlmedium in die einseitig, d. h. auf dem dem Werkstück zugewandten Ende abgeschlossene Bohrung 36 eintritt. Da der Kanal 34 einen geringeren Außendurchmesser als der lichte Durchmesser der Bohrung 36 hat, tritt das Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, durch den frei bleibenden Ringkanal wieder aus dem Kern aus und wird durch den Kanal 38 abgeleitet. Das Kühlmedium kann kontinuierlich während der gesamten Erwärmungsperiode durch das Werkstück geleitet werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, nur bei Überschreiten, einer bestimmten Temperatur des Kernes den Kühlmediumumlauf einzuschalten.

Die in Fig. 5 dargestellte Erwärmungseinrichtung arbeitet ebenfalls prinzipiell in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung, jedoch ist hier auch eine Kühleinrichtung für den abgewandelten Absehirmring vorgesehen, dem durch zwei Zu- bzw. Abführungen ein Kühlmedium zugeführt wird. Dieses fließt durch den Höhlraum 30 des Hohlleiters 28 hindurch. Der Kühlmittelnuß wird vorzugsweise erst eingeschaltet, nachdem das Werkstück erhitzt worden und somit zum Abschrecken vorbereitet ist. Das Kühlmittel tritt dann aus dem Hohlleiter 28 bzw. dessen Kanal 30 durch die öffnungen 32 auf die erhitzte Oberfläche 12 des zu behandelnden Werkstückes 10. Gleichzeitig wird dadurch eine zusätzliche Kühlung des Kernes 14 während der Abschreckzeit, d. h. also·, bevor er in die Behandlungs-lage für die Erwärmung des nächsten Werkstückes gebracht wird, erreicht. Eine derartige Ausbildung der Einrichtung ist daher besonders für die Massenfertigung geeignet. Die Ausfü'hrungsmöglichkeiten der Einrichtung nach der Erfindung sind nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es: sind beliebige Abwandlungsmöglichkeiten unter Wahrung des Grundprinzips möglich, beispielsweise in der Form, daß an Stelle eines zylindrischen Kernes und den entsprechenden anderen zylindrisch gestalteten Teilen eine rechteckige bzw. prismatische Ausbildung bei entsprechender Form des zu behandelnden Gutes tritt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Vertiefungen, Aushöhlungen und ähnlichen Hohlkörper-Innenflächen, insbesondere zum Erhitzen von Ventilsitzen für die Härtung mit einem vorzugsweise spulenförmigen Induktor und in diesem angeordneten Magnetkern, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern an seiner dem Werkstück zugewandten Seite mit einer der Form der zu erhitzenden Vertiefung angepaßten Verlängerung versehen ist und daß zwischen Induktorspule und diesem Verlängerungsteil unmittelbar an diestn anschließend ein oder mehrere den Kern zumindeiA teilweise umschließende, vorzugsweise geschlitzte Abschirmringe aus nichtmagnetischem, elektrisch gut leitendem Material vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz gegen die Achse des ringförmigen Teiles geneigt ist (Fig. 2).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Abschirmring in mehrere koaxiale Teilringe in radialer Richtungaufgeteilt ist, wobei die einzelnen Ringe gegeneinander isoliert und mit Schlitzen versehen sind (Fig. 4).

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Abschirmring aus einem Hohlleiter besteht, der auf seiner dem Werkstück zugewandten Seitenfläche mit Bohrungen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen ist (Fig. 6).

5. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Teilringe als Hohlleiter ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (16) mit einer Kühlvorrichtung (34, 36, 38) versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 635 421.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 547/343 5.