DE102011015795B4

DE102011015795B4 - Verfahren zur Induktionswärmebehandlung

Info

Publication number: DE102011015795B4
Application number: DE102011015795.6A
Authority: DE
Inventors: Madhu Sudan; William Irwin Stuehr
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: DE102011015795A1; US20110247732A1; US9631252B2; US20130240506A1; US8475610B2

Abstract

Verfahren zur Induktionswärmebehandlung eines ersten Abschnitts eines Zahnrads, wobei ein zweiter Abschnitt des Zahnrads durch Induktionserwärmung unbehandelt bleibt, wobei das Zahnrad eine Innenoberfläche aufweist, wobei sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt entlang der Innenoberfläche des Zahnrads befinden und wobei der erste Abschnitt eine erste Breite und der zweite Abschnitt eine zweite Breite aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen des Zahnrads innerhalb einer Arbeitsstation, wobei die Arbeitsstation eine Stromquelle und eine Induktionsspule aufweist und wobei die Innenoberfläche des Zahnrads in der Nähe der Induktionsspule positioniert wird, wobei die Stromquelle Wechselstrom für die Induktionsspule liefert und wobei die Induktionsspule wenigstens eine Heizschleife und wenigstens eine nicht heizende Schleife enthält, wobei die Heizschleife eine Heizkreisbreite aufweist und wobei die nicht heizende Schleife eine Breite der nicht heizenden Schleife aufweist, und wobei die Breite der nicht heizenden Schleife etwa gleich der zweiten Breite des zweiten Abschnitts des Zahnrads konfiguriert ist, und wobei die Heizschleifenbreite etwa gleich der ersten Breite des ersten Abschnitts des Zahnrads konfiguriert ist; Drehen des Zahnrads um eine Drehachse, wobei das Zahnrad relativ zu der Induktionsspule gedreht wird; Erregen der Induktionsspule auf eine vorgegeben Frequenz zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds, wobei das in der Heizschleife entwickelte Magnetfeld in dem ersten Abschnitt des Zahnrads einen Wirbelstrom induziert; und Halten der Induktionsspule auf der vorgegebenen Frequenz für eine vorgegebene Zeitdauer zur Induktionshärtung des Zahnrads bei dem ersten Abschnitt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten eines Zahnrads oder eines zahnradartigen Objekts und insbesondere auf ein Verfahren zum selektiven Härten eines Abschnitts einer Innoberfläche des Zahnrads unter Verwendung einer Induktionswärmebehandlung.
HINTERGRUND
Zahnräder können durch eine Induktionswärmebehandlung gehärtet werden, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. In einem Zahnradtyp enthält die Innenoberfläche des Zahnrads mehrere Keile. Die Keile bedecken nicht den gesamten Umfang der Innenoberfläche. Stattdessen enthält die Innenoberfläche mehrere Stege, wobei sich zwischen jedem Steg mehrere Keile befinden. Die Stege sind ein Bereich verringerter Wanddicke entlang der Innenoberfläche des Zahnrads. Da die Stege eine verringerte Wanddicke aufweisen, die anfällig für Schmelzen oder Rissbildung ist, ist es üblicherweise erwünscht, nur die Keile mit Wärme zu behandeln.
In einer Herangehensweise wird eine Induktionswärmebehandlung verwendet, um nur die Keile zu härten. Allerdings ist es mit der gegenwärtigen Induktionsspulen- und Prozessentwurfstechnologie nicht möglich, nur die Keile mit Wärme zu behandeln. Es wird eine Induktionswärmebehandlungstechnik ohne Drehung genutzt, bei der das Zahnrad in einer bestimmten Position orientiert wird und alle Keile durch eine innerhalb der Innenoberfläche des Zahnrads angeordnete Spule gleichzeitig erwärmt werden. Allerdings führt die Herangehensweise ohne Drehung zu einem ungleichförmigen und unsymmetrischen Wärmebehandlungsmuster und neigt außerdem dazu, die Stege zu überhitzen, was zu Schmelzen und Rissbildung der Stege führt. Im Ergebnis bleiben in einem Bemühen, die Überhitzung des Stegs zu verhindern, mehrere Keile zwischen jedem Steg unbehandelt. Dies führt zu Zahnrädern, die die Wärmebehandlungsspezifikationen nicht erfüllen. Die gegenwärtige Herangehensweise, den Keil in Bezug auf die Induktionsspule zu orientieren, erfordert spezielle Behandlungsfragen und trägt zu den Kosten des Produkts bei. Darüber hinaus erzeugt der gegenwärtige Induktionshärtungsprozess außerdem eine sehr tiefe Härtung oder einen Einsatz entlang der Außenoberfläche des Zahnrads. Somit kann die gegenwärtige Herangehensweise der Induktionshärtung Zahnräder erzeugen, die integrierte Spannungen aufweisen, die zum Vorzeitigen mechanischen Ausfall der Zahnräder führen können.
Im Ergebnis besteht im Gebiet ein Bedarf an einem robusten Induktionshärtungsprozess für ein Zahnrad, der die Zähne gleichmäßig erwärmt, ohne die Stege zu überhitzen, weshalb der Erfindung die Aufgabe zu Grunde liegt, diesem Bedarf gerecht zu werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Induktionswärmebehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein erster Abschnitt des Zahnrads wird mit Induktionswärme behandelt und ein zweiter Abschnitt des Zahnrads bleibt unbehandelt. Das Zahnrad weist eine Innenoberfläche auf. Die Innenoberfläche enthält den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt weist eine erste Breite auf und der zweite Abschnitt weist eine zweite Breite auf.
Das Verfahren enthält einen ersten Schritt, in dem das Zahnrad innerhalb einer Arbeitsstation angeordnet wird. Die Arbeitsstation weist eine Stromquelle und eine Induktionsspule auf. Die Stromquelle liefert Wechselstrom an die Induktionsspule.
Die Innenoberfläche des Zahnrads wird in der Nähe der Induktionsspule positioniert. Die Induktionsspule enthält wenigstens eine Heizschleife und wenigstens eine nicht heizende Schleife. Die Heizschleife weist eine Heizschleifenbreite auf und die nicht heizende Schleife weist eine Breite der nicht heizenden Schleife auf. Die Breite der nicht heizenden Schleife ist so konfiguriert, dass sie etwa gleich der zweiten Breite des Zahnrads ist. Die Heizschleifenbreite ist so konfiguriert, dass sie etwa gleich der ersten Breite des Zahnrads ist. In einem zweiten Schritt wird das Zahnrad um eine Drehachse relativ zu der Induktionsspule gedreht. In einem dritten Schritt wird die Induktionsspule auf eine vorgegebene Frequenz erregt, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Das in der Heizschleife entwickelte Magnetfeld induziert in dem ersten Abschnitt des Zahnrads einen Wirbelstrom. In einem vierten Schritt wird die Induktionsspule für eine vorgegebene Zeitdauer auf der vorgegebenen Frequenz gehalten, um das Zahnrad bei dem ersten Abschnitt durch Induktion zu härten.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens mehrerer Keilgruppen als den ersten Abschnitt des Zahnrads und mehrerer Stege als den zweiten Abschnitt des Zahnrads.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Abschreckens des Zahnrads durch Fluid. Das Fluid wird dem Zahnrad durch eine Abschreckplatte zugeführt, die eine Reihe von Fluiddurchlässen aufweist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines Flussverstärkers, der innerhalb der Abschreckplatte enthalten ist.
In einer abermals anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Positionierens der Induktionsspule an ihrer Stelle innerhalb der Arbeitsstation durch die Abschreckplatte. Ein Abschnitt der Induktionsspule wird innerhalb der Abschreckplatte angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Drehens des Zahnrads um die Achse mit einer Drehzahl von etwa 1000 min^–1.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Orientierens des Wirbelstroms in der Weise, dass er in Längsrichtung entlang des ersten Abschnitts des Zahnrads verläuft.
In einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Orientierens des Wirbelstroms in der Weise, dass er in Umfangsrichtung um eine Innenoberfläche des Zahnrads verläuft.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines Abschnitts der nicht heizenden Schleife, der parallel zur Drehachse des Zahnrads ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens eines magnetischen Nettowechselfelds, das in dem Abschnitt der nicht heizenden Schleife, der parallel zu der Drehachse ist, etwa null ist.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit gehen aus der hier gegebenen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sind die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung bestimmt.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung.
1A ist eine beispielhafte Darstellung eines zur Ausführung einer Induktionswärmebehandlung in einer Arbeitsstation angeordneten Zahnrads;
1B ist eine Teilquerschnittsansicht des Zahnrads aus 1A, die die Ausbreitung einer Wirbelstromsignalform (EC-Signalform) durch die Innenoberfläche des Zahnrads zeigt;
1C ist eine alternative Ausführungsform, die den Wirbelstrom darstellt; und
2 ist eine vergrößerte Ansicht des in 1A dargestellten Zahnrads.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft.
Nun in 1A bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine beispielhafte drehbare Induktionshärtungsarbeitsstation, die eine Stromquelle 20, eine Induktionsspule 22, eine Abschreckplatte 24, ein Stützelement 26 und einen Drehmechanismus 28 aufweist. Das Stützelement 26 und die Abschreckplatte 24 sind unter einem Winkel von neunzig Grad teilweise geschnitten worden, um eine Einzelheit eines Zahnrads 30 zu zeigen, das in der Arbeitsstation 10 gehärtet wird. Die Arbeitsstation 10 wird zum Härten des durch eine Spindel oder durch einen Drehmechanismus (nicht gezeigt) drehbar gestützten Zahnrads 30 verwendet. In der – wie gezeigten – Ausführungsform ist das Stützelement 26 ein Phenolblockträger, der eine Gewindeöffnung 31 und einen Schlauchnippel aufweist. Die Induktionsspule 22 und die Abschreckplatte 24 sind feststehend gehalten und von dem Zahnrad 30 umgeben, das eine Innenoberfläche 32 aufweist. Das Zahnrad 30 ist an dem Drehmechanismus 28 befestigt. Der Drehmechanismus 28 ist irgendein Typ einer Vorrichtung, die das Zahnrad 30 um eine Achse A-A drehen kann, wie etwa z. B. eine Spindel. Das Zahnrad 30 kann irgendein Typ einer sich drehenden Komponente sein, die zum Kämmen mit einem anderen Teil, um ein Drehmoment zu übertragen, verwendet wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Zahnrad 30 entweder ein Antriebszahnrad oder ein angetriebenes Zahnrad eines Getriebes. In der wie gezeigten Ausführungsform wird die Arbeitsstation 10 zum Härten der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 verwendet. Eine Außenoberfläche 34 des Zahnrads 30 enthält mehrere Zähne 36, die unter Verwendung einer getrennten Operation gehärtet werden. In einem Beispiel werden die Zähne 36 unter Verwendung eines Einzelinduktionshärtungsprozesses gehärtet, der im US-Patent US 4,639,279 A offenbart ist.
Die Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 enthält mehrere Keile 42, die einen Abschnitt des Umfangs der Innenoberfläche 32 bedecken. Die Keile 42 sind in einer Reihe von Keilgruppen 44 angeordnet, wobei zwischen den Keilgruppen 44 ein Steg 46 enthalten ist. Die Stege 46 repräsentieren einen Bereich verringerter Wanddicke entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30. Genauer weisen die Keilgruppen 44 eine erste Wanddicke W1 auf und weisen die Stege 46 eine zweite Wanddicke W2 auf, wobei die erste Wanddicke W1 größer als die zweite Wanddicke W2 ist. Sowohl in 1A als auch in 2 wird die erste Wanddicke W1 axial entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 gemessen und repräsentiert die Höhe der Keilgruppen 44. Genauer repräsentiert die erste Wanddicke W1 die Entfernung zwischen einer Oberkante 35 und einer Unterkante 37 der Innenoberfläche 32. Die zweite Wanddicke W2 wird ebenfalls axial entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 gemessen und repräsentiert die Entfernung zwischen einer Kante 51 des Stegs 46 und der Unterkante 37 der Innenoberfläche 32. Die Kante 51 des Stegs 46 repräsentiert einen Abschnitt einer äußersten Grenze des Stegs 46, der sich am nächsten bei der Drehachse A-A des Zahnrads 30 befindet. Unter dem Steg 46 kann sich ebenfalls ein Keil 50 befinden. Die Stege 46 repräsentieren einen Bereich verringerter Wanddicke und Festigkeit entlang der Innenoberfläche 32. Infolgedessen werden nur die Keile 42 wärmebehandelt, während die Stege 46 eine verringerte Wanddicke aufweisen und somit anfällig für Schmelzen oder Rissbildung während der Wärmebehandlung sind.
Anhand von 1A ist die Induktionsspule 22 über ein Paar Induktionsspulenzuleitungen 48 mit der Stromversorgung 20 verbunden. Die Stromversorgung 20 führt der Induktionsspule 22 Wechselstrom zu. Die Induktionsspule 22 wird durch die Stromversorgung 20 für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Frequenz und auf einen vorgegebenen Leistungspegel erregt, um einen gewünschten Grad an Heizung zu erzielen. Die Frequenz, der Leistungspegel und die Zeit hängen miteinander zusammen und hängen von der bestimmten Anwendung und Konfiguration des Zahnrads 30 ab. Genauer erzeugt die Induktionsspule 22 ein magnetisches Wechselfeld B, das innerhalb des Zahnrads 30 Wirbelströme für die Induktionshärtung erzeugt. 1B veranschaulicht einen Teilquerschnitt des Zahnrads 30 mit entfernten Keilen 42, um die in Längsrichtung entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 verlaufenden Wirbelströme EC darzustellen. Die Wirbelströme EC erwärmen die Keile 42 gleichförmig. Alternativ können die Wirbelströme EC ebenfalls auch (wie in 1C gezeigt und mit EC bezeichnet ist) in Umfangsrichtung um die Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 verlaufen. Die Induktionsspule 22 wird für die vorgegebene Zeitdauer mit der vorgegebenen Frequenz erregt, um eine gewünschte Induktionswärmebehandlungstiefe der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 zu erzielen.
Zurückkehrend zu 1A ist die Induktionsspule 22 in der – wie gezeig-ten – Ausführungsform in einer vorgegebenen Konfiguration geformt, die von der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 abhängt. Die Induktionsspule 22 ist so geformt, dass sie wenigstens eine nicht heizende Schleife 52 und wenigstens eine Heizschleife 54 enthält, wobei die nicht heizende Schleife 52 eine Breite W3 aufweist und wobei die Heizschleife 54 eine Breite W4 aufweist. Die Breiten W3 und W4 der nicht heizenden Schleife 52 und der Heizschleife 54 können in Abhängigkeit von der Konfiguration des Zahnrads 30 einem bestimmten Zahnrad 30 entsprechend eingestellt werden. Genauer ist die Breite W3 der nicht heizenden Schleife 52 etwa gleich der Breite 64 des Abschnitts ohne Keile, gemessen um die Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 (in 2 gezeigt), konfiguriert. Die Breite W4 der Heizschleife 54 ist etwa gleich der Breite 66 des Abschnitts 44 mit Keilen, gemessen um die Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 (ebenfalls in 2 gezeigt), konfiguriert. Die Breiten W3 und W4 der nicht heizenden Schleife und der Heizschleife 52 und 54 können so eingestellt werden, dass sie an die Dimensionen der Abschnitte mit Keilen und der Abschnitte ohne Keile der Innenoberfläche 32 angepasst sind.
Die Konfiguration der nicht heizenden Schleife und der Heizschleife 52 und 54 erzeugt den Wirbelstrom EC nur in den Keilen 42 und 50, die sich entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 befinden, während sie gleichzeitig einen vernachlässigbaren Betrag des Wirbelstroms EC in den Stegen 46 erzeugt. Die Orientierung der Heizschleife 54 erzeugt in den Keilen 42 und 50 den Wirbelstrom EC. Die Orientierung der nicht heizenden Schleife 52 veranlasst, dass sich der Wirbelstrom EC in den Gebieten entlang der Innenoberfläche 32, die nicht verzahnt sind, aufhebt. Genauer enthält jede nicht heizende Schleife 52 zwei allgemein gegenüberliegende parallele Abschnitte 59, die parallel zu der Drehachse A-A positioniert sind. Das durch einen der parallelen Abschnitte 59 einer der nicht heizenden Schleifen 52 laufende magnetische Wechselfeld B verläuft in einer Richtung, die dem magnetischen Wechselfeld B, das durch den anderen der parallelen Abschnitte 59 der ausgewählten nicht heizenden Schleife 52 geht, allgemein entgegengesetzt ist. Die parallelen Abschnitte 59 jeder nicht heizenden Schleife 52 sind nahe beieinander in der Weise orientiert, dass sich das magnetische Wechselfeld B, das durch einen der parallelen Abschnitte 59 der nicht heizenden Schleife 52 geht, mit dem magnetischen Wechselfeld B, das durch den anderen parallelen Abschnitt 59 der nicht heizenden Schleife 52 geht, aufhebt, was zu einem Nettowechselstrom führt, der vernachlässigbar oder null ist. Diese Konfiguration der nicht heizenden Schleife 52 erzeugt in dem Zahnrad 30 dort, wo sich die Stege 46 befinden, tote Punkte mit einem minimalen Betrag oder keinem Wirbelstrom EC. Die Stege 46 repräsentieren außerdem einen Abschnitt des Zahnrads 30 mit verringerter Masse und Wanddicke, was ebenfalls veranlasst, dass der Wirbelstrom EC dort, wo sich die Stege 46 befinden, minimal oder nicht vorhanden ist. Außerdem befinden sich die Keile 42 und 50 des Zahnrads 30 im Vergleich zu den Stegen 46 des Zahnrads 30 näher an der Induktionsspule 22. Somit werden nur die Keile 42 und 50 wärmebehandelt, da in dem Bereich des Zahnrads 30, der keinen Keil enthält, ein minimaler Betrag oder kein Wirbelstrom EC erzeugt wird. Somit werden nur die Keile 42 und nicht die Stege 46 des Zahnrads 30 wärmebehandelt. Da die Stege 46 eine verringerte Wanddicke aufweisen und für Schmelzen oder Rissbildung während der Wärmebehandlung anfällig sind, ist es nützlich, dass nur die Keile 42 induktionserwärmt werden.
Die Abschreckplatte 24 wird dazu verwendet, die Induktionsspule 22 innerhalb der Arbeitsstation 10 an der Stelle zu positionieren und zu befestigen, an der sich ein Abschnitt 58 der Induktionsspule 22 innerhalb der Abschreckplatte 24 befindet. Die Abschreckplatte 24 enthält mehrere Fluiddurchlässe 60, die in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle (nicht gezeigt) stehen. Das Fluid kann irgendeine Art eines zum Abschrecken von Metallmaterialien verwendeten Abschreckfluids wie etwa z. B. Abschrecköl oder ein Polymer auf Wassergrundlage sein. Die Fluiddurchlässe 60 werden zum Übermitteln von Fluid von der Fluidquelle zu der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 verwendet. Genauer wird die Innenoberfläche 32 des Zahnrads abgeschreckt, nachdem die Keile 42 durch die Induktionsspule 22 erwärmt worden sind. Das Abschrecken erzeugt entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 eine gewünschte Tiefe der Härtung oder des Einsatzes. Genauer erzeugt das Abschrecken des Zahnrads 30 eine Einsatzhärtung bis zu einer vorgegebenen Wärmebehandlungstiefe, wodurch nur die Keile 42 und nicht die entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 befindlichen Stege 46 einsatzgehärtet werden.
Die Abschreckplatte 24 kann ebenfalls einen darin gebildeten Flussverstärker enthalten. Der Flussverstärker wird dafür genutzt, eine wahlweise Härtung für die Keile 42 des Zahnrads 30 bereitzustellen, verbessert die elektrische Effizienz der Induktionsspule 22 und kann außerdem als eine elektromagnetische Abschirmung wirken, um die unerwünschte Erwärmung der Stege 46 zu verhindern. Der Flussverstärker kann aus einem Material mit hoher Permeabilität und niedrigem Leistungsverlust wie etwa z. B. aus einem Formmaterial, das Eisenpulver in einem nicht leitenden Bindemittel enthält, konstruiert sein.
Die Arbeitsstation 10 ist eine Induktionshärtungsvorrichtung vom drehbaren Typ. Die Nutzung einer Induktionshärtungsvorrichtung vom drehbaren Typ beseitigt allgemein die Notwendigkeit, eine Induktionshärtungstechnik zu verwenden, bei der das Zahnrad 30 in einer bestimmten Position innerhalb der Arbeitsstation 10 positioniert ist. Die Forderung, dass das Zahnrad 30 in der Induktionshärtungsmaschine orientiert ist, kann Probleme verursachen, falls das Zahnrad 30 durch eine Robotervorrichtung in die Induktionshärtungsmaschine eingeführt wird. Darüber hinaus verringert die Nutzung einer Induktionshärtungsvorrichtung vom drehbaren Typ außerdem die Fälle des Schmelzens oder der Rissbildung der Stege 46, kann sie die Dimensionstoleranzen des Zahnrads 30 erhöhen und führt sie zu einfacherer und preiswerterer Werkzeugausrüstung. In einer Ausführungsform erzielt das Zahnrad 30 eine verbesserte Härte bei den Keilen 42, sodass das Zahnrad 30 potentiell ein kostspieligeres Sintermetallteil in einem Getriebe ersetzen kann.
Weiter anhand von 1A–1C wird allgemein ein Verfahren zum Härten eines Zahnrads 30 unter Verwendung der Arbeitsstation 10 beschrieben. Das Verfahren beginnt durch Bereitstellen eines Zahnrads 30, das die Innenoberfläche 32, die Außenoberfläche 34, die Keile 42 und die Stege 46 aufweist. Die Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 enthält mehrere Keile 42, die einen Abschnitt des Umfangs der Innenoberfläche 32 bedecken, wo die Keile 42 in einer Reihe von Keilgruppen 44 angeordnet sind. Die Stege 46 repräsentieren einen Bereich verringerter Wanddicke und Festigkeit entlang der Innenoberfläche 32. Die Keilgruppen 44 weisen eine erste Wanddicke W1 auf und die Stege 46 weisen eine zweite Wanddicke W2 auf, wobei die erste Wanddicke W1 größer als die zweite Wanddicke W2 ist. Infolgedessen ist es üblicherweise erwünscht, nur die Keile 42 mit Wärme zu behandeln, da die Stege 46 eine verringerte Wanddicke aufweisen und somit anfällig für Schmelzen oder Rissbildung sind. Daraufhin geht das Verfahren zu einem zweiten Schritt über.
In dem zweiten Schritt wird das Zahnrad 30 in der Weise innerhalb der Arbeitsstation 10 positioniert, dass die Induktionsspule 22 von der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 umgeben ist. Die Arbeitsstation 10 ist eine Induktionshärtungsvorrichtung vom drehbaren Typ, d. h., die Induktionsspule 22 heizt die Keile 42, während sich das Zahnrad 30 dreht. Daraufhin kann das Verfahren zu einem dritten Schritt übergehen.
In dem dritten Schritt wird das Zahnrad 30 durch den Drehmechanismus 28 um die Achse A-A relativ zu der Induktionsspule 22 gedreht. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Zahnrad 30 mit etwa 1000 Umdrehungen pro Minute gedreht, wobei aber festzustellen ist, dass andere Drehzahlen ebenfalls verwendet werden können. Alternativ kann das Zahnrad 30 auch relativ zu der Induktionsspule 22 in Schwingungen versetzt werden. Daraufhin kann das Verfahren zu einem vierten Schritt übergehen.
In dem vierten Schritt wird die Induktionsspule 22 durch die Stromversorgung 20 erregt, um die Keile 42 des Zahnrads 30 zu erwärmen. Die Induktionsspule 22 wird für eine vorgegebene Zeitdauer für die vorgegebene Frequenz und für den vorgegebenen Leistungspegel, um einen gewünschten Grad der Erwärmung zu erzielen, erregt. Die Frequenz, der Leistungspegel und die Zeit hängen miteinander zusammen und hängen von der bestimmten Anwendung und Konfiguration des Zahnrads 30 ab. Genauer erzeugt die Induktionsspule 22 ein magnetisches Wechselfeld B, das innerhalb des Zahnrads 30 Wirbelströme zur Induktionshärtung erzeugt. Anhand von 1A behandelt ein innerhalb des Zahnrads 30 erzeugter Wirbelstrom EC (1B–1C) nur die Keile 42 und 50 mit Induktionswärme. Genauer erzeugt die Heizschleife 54 der Induktionsspule 22 den Wirbelstrom EC, der die Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 nur entlang der Keile 42 und 51 induktionshärtet. Somit empfangen die Keile 42, nicht aber die Stege 46 des Zahnrads 30 die Mehrheit oder die größere Menge des Wirbelstroms EC, der innerhalb des Bereichs des Keils fließt, der durch die Induktionsspule 22 erwärmt wird. Daraufhin kann das Verfahren zu einem fünften Schritt übergehen.
In dem fünften Schritt wird die Induktionsspule 22 für eine vorgegebene Zeitdauer durch Zuführen von Leistung zu der Stromquelle 20 auf der vorgegebenen Frequenz gehalten. Daraufhin kann das Verfahren zu einem sechsten Schritt übergehen.
In dem sechsten Schritt wird das Zahnrad 30 durch Fluid, das durch mehrere in der Abschreckplatte 24 befindliche Fluiddurchlässe 60 übermittelt wird, abgeschreckt. Das Abschrecken erzeugt in einer vorgegebenen Wärmebehandlungstiefe eine Einsatzhärtung, wodurch nur die Keile 42 und nicht die Stege 46, die sich entlang der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30 befinden, einsatzgehärtet werden. Daraufhin kann das Verfahren abgeschlossen werden.
Die Induktionshärtung der Keile 42 erzeugt eine gehärtete Außenoberfläche, während der Kern des Zahnrads 30 weiter ungehärtet gehalten wird. Dies führt dazu, dass das Zahnrad 30 gehärtete Oberflächeneigenschaften aufweist, während es einen weicheren, duktileren Kern aufweist, der die Zähigkeit sowie verbesserte mechanische und metallurgische Eigenschaften sicherstellt. Da das Zahnrad 30 nicht in einer bestimmten Position innerhalb einer Induktionshärtungsmaschine orientiert zu werden braucht, verringert die Induktionshärtung unter Verwendung der Induktionshärtungsherangehensweise vom drehbaren Typ ebenfalls die Werkzeugausrüstungskosten. Schließlich führt die Induktionshärtung unter Verwendung der Herangehensweise mit drehbarer Induktion [engl.: ”rotatable induktion approach”] zu gleichförmigeren Einsatzhärtungstiefen der Innenoberfläche 32 des Zahnrads 30, was im Vergleich zu den gegenwärtigen Induktionshärtungstechniken, die gegenwärtig genutzt werden, zu verbesserten mechanischen und metallurgischen Eigenschaften des Zahnrads 30 führt.

Claims

Verfahren zur Induktionswärmebehandlung eines ersten Abschnitts eines Zahnrads, wobei ein zweiter Abschnitt des Zahnrads durch Induktionserwärmung unbehandelt bleibt, wobei das Zahnrad eine Innenoberfläche aufweist, wobei sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt entlang der Innenoberfläche des Zahnrads befinden und wobei der erste Abschnitt eine erste Breite und der zweite Abschnitt eine zweite Breite aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen des Zahnrads innerhalb einer Arbeitsstation, wobei die Arbeitsstation eine Stromquelle und eine Induktionsspule aufweist und wobei die Innenoberfläche des Zahnrads in der Nähe der Induktionsspule positioniert wird, wobei die Stromquelle Wechselstrom für die Induktionsspule liefert und wobei die Induktionsspule wenigstens eine Heizschleife und wenigstens eine nicht heizende Schleife enthält, wobei die Heizschleife eine Heizkreisbreite aufweist und wobei die nicht heizende Schleife eine Breite der nicht heizenden Schleife aufweist, und wobei die Breite der nicht heizenden Schleife etwa gleich der zweiten Breite des zweiten Abschnitts des Zahnrads konfiguriert ist, und wobei die Heizschleifenbreite etwa gleich der ersten Breite des ersten Abschnitts des Zahnrads konfiguriert ist; Drehen des Zahnrads um eine Drehachse, wobei das Zahnrad relativ zu der Induktionsspule gedreht wird; Erregen der Induktionsspule auf eine vorgegeben Frequenz zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds, wobei das in der Heizschleife entwickelte Magnetfeld in dem ersten Abschnitt des Zahnrads einen Wirbelstrom induziert; und Halten der Induktionsspule auf der vorgegebenen Frequenz für eine vorgegebene Zeitdauer zur Induktionshärtung des Zahnrads bei dem ersten Abschnitt.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Bereitstellens mehrerer Keilgruppen als den ersten Abschnitt des Zahnrads und mehrerer Stege als den zweiten Abschnitt des Zahnrads umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Abschreckens des Zahnrads durch Fluid umfasst, wobei das Fluid dem Zahnrad durch eine Abschreckplatte zugeführt wird, die eine Reihe von Fluiddurchlässen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, das den Schritt des Bereitstellens eines Flussverstärkers umfasst, der innerhalb der Abschreckplatte enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 3, das den Schritt des Positionierens der Induktionsspule an ihrer Stelle innerhalb der Arbeitsstation durch die Abschreckplatte umfasst, wobei sich ein Abschnitt der Induktionsspule innerhalb der Abschreckplatte befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Drehens des Zahnrads um die Achse mit einer Drehzahl von etwa 1000 min^–1 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Orientierens des Wirbelstroms in der Weise umfasst, dass er in Längsrichtung entlang des ersten Abschnitts des Zahnrads verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Orientierens des Wirbelstroms in der Weise umfasst, dass er in Umfangsrichtung um die Innenoberfläche des Zahnrads verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Bereitstellens eines Abschnitts der nicht heizenden Schleife, der parallel zur Drehachse des Zahnrads ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das den Schritt des Erzeugens eines magnetischen Nettowechselfelds, das etwa null ist, in dem Abschnitt der nicht heizenden Schleife, der parallel zur Drehachse ist, umfasst.