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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Induktionshärten und ein Verfahren zum Standhärten eines Werkstücks.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Induktionshärten bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Induktionshärten kann als Standhärten oder als Vorschubhärten durchgeführt werden. Beim Vorschubhärten wird bei einem konstanten Vorschub gehärtet, es werden der Induktor und das Werkstück mit einer konstanten Geschwindigkeit zueinander verfahren. Beim Standhärten verharren Induktor und Werkstück, beispielsweise eine Welle oder eine Zahnstange, zeitweise zueinander in Ruhe, um dann wieder zueinander um eine bestimmte Verfahrstrecke verschoben zu werden. Beim Induktionshärten können Bereiche eines Werkstücks gehärtet werden, die in einer Querschnittsdarstellung unsymmetrisch bzw. ungleichmäßig ausgebildet sein können. Hierdurch können ungleichmäßige Härtezonen entstehen, die zu ungleichmäßigen Spannungen und dadurch mangelhaften mechanischen Bauteileigenschaften innerhalb des gehärteten Werkstücks führen können. Derartige nachteilige Beuteileigenschaften des Werkstücks können aufwändige Nachbearbeitungsprozesse notwendig machen.
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Eine Aufgabe ist daher, eine Vorrichtung zum Induktionshärten zur Verfügung zu stellen, die ungleichmäßige Härtezonen vermeidet, wodurch ungleichmäßige Spannungen innerhalb eines zu härtenden Werkstücks, insbesondere einer Zahnstange, klein gehalten bzw. ganz vermieden werden können.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Induktionshärten einer Zahnstange zur Verfügung gestellt, umfassend eine erste Oberfläche, wobei die erste Oberfläche bei einem Härtevorgang einer zu härtenden zweiten Oberfläche einer Zahnstange zugewandt ist, wobei die erste Oberfläche der zweiten Oberfläche derart angepasst ist, dass sich in der Zahnstange eine gleichmäßige Härtezone ergibt.
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Durch eine Anpassung der Querschnittsform eines Induktors an die Querschnittsform des zu härtenden Werkstücks, insbesondere eine Zahnstange, können Härtezonen mit beliebigen Querschnitten erzeugt werden. Insbesondere vorteilhaft ist, falls hierdurch in dem Werkstück Härtezonen erstellt werden können, die zum ungehärteten Bereich des Werkstücks eine ebene Grenzfläche aufweisen. Eine ebene Grenzfläche kann eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Werkstück sicherstellen, wodurch sich eine hohe mechanische Stabilität des Werkstücks einstellen kann.
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Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Standhärten einer Zahnstange zur Verfügung gestellt, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingesetzt wird.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die gleichmäßige Härtezone symmetrisch ist und/oder ebene Grenzflächen, insbesondere eine ebene Grenzfläche zum ungehärteten Bereich der Zahnstange, aufweist.
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Durch die Ausbildung einer symmetrischen Härtezone bzw. einer Härtezone, die zum ungehärteten Bereich des Werkstücks eine ebene Grenzfläche aufweist, können Werkstücke erhalten werden, die keine oder nur geringe ungleichmäßige Spannungen aufweisen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung zum Standhärten geeignet ist.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei sich durch das Standhärten innerhalb der Härtezone eine Austensitisierung ergibt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Austensitisierung innerhalb einer Zeitdauer von 50 ms bis 800 ms, insbesondere 100 ms bis 500ms, erfolgt.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die erste Oberfläche in einem Querschnitt konvex oder konkav abgerundet ist und die zweite Oberfläche in einem Querschnitt gerade ist.
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Durch eine konvexe Ausbildung einer Oberfläche eines Induktors kann eine Härtezone in dem Werkstück erzeugt werden, die ebene Grenzflächen aufweist. Eine konkave Ausformung eines Induktors kann dazu führen, dass ein Werkstück mit überstehenden Enden dennoch eine gleichmäßig tiefe Härtezone über den gesamten Querschnitt erhält und dadurch eine ebene Grenzfläche zum ungehärteten Bereich des Werkstücks aufweist.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die erste Oberfläche in einem Querschnitt gerade ist und die zweite Oberfläche in einem Querschnitt konvex oder konkav abgerundet ist.
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Durch eine Ausbildung einer ebenen Oberfläche des Induktors können Werkstücke mit einer gleichmäßig tiefen Härtezone versehen werden, deren Oberfläche nach außen gewölbt, also konvex, ist, bzw. nach innen gewölbt ist, also konkav ausgeformt ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die erste Oberfläche Stufen aufweist.
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Durch eine stufenförmige Ausbildung einer Oberfläche eines Induktors können annähernd konvexe oder konkave Oberflächen erzeugt werden, die technisch einfach hergestellt werden können.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung einen ersten Querschnitt mit der ersten Oberfläche und einen zweiten Querschnitt mit einer dritten Oberfläche aufweist und der erste und der zweite Querschnitt innerhalb eines Bereichs der Vorrichtung angeordnet sind, wobei die erste Oberfläche und die dritte Oberfläche identisch sind.
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Durch die Ausbildung einer durchgehend gleichen Querschnittsstruktur kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung erhalten werden, die konstruktiv einfach aufgebaut ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der Bereich entlang der Längsachse der Vorrichtung angeordnet ist und wobei der Bereich eine Ausdehnung von 10 mm bis 400 mm, insbesondere 200 mm oder 300 mm, aufweist.
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Vorrichtung zum Induktionshärten zur Verfügung zu stellen, die einen derartigen Querschnitt aufweist, dass sich in einem zu härtenden Werkstück eine Härtezone ausbildet, die keine oder nur geringe Spannungsunterschiede innerhalb des Werkstücks zur Folge hat.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
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1 eine Schnittdarstellung eines Induktors des Stands der Technik und eines Werkstücks,
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2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Induktors und eines Werkstücks,
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3 eine Schnittdarstellung eines weiteren Induktors in einer Anordnung mit einem Werkstück,
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4 eine Schnittdarstellung eines weiteren Induktors, wobei der Induktor gegenüber dem zu härtenden Werkstück in der Längenausdehnung größer ausgebildet ist,
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5 eine Schnittdarstellung eines weiteren Induktors mit stufenförmiger Oberfläche,
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6 eine Schnittdarstellung eines weiteren Induktors mit stufenförmiger Oberfläche.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Querschnittdarstellung einer Induktionshärtungsvorrichtung 1 (Induktor) mittels dessen ein Bereich 4 eines Werkstücks 2 gehärtet werden kann. Das Werkstück kann beispielsweise eine Zahnstange sein. Aufgrund der Querschnittsform des Induktors 1 ergibt sich ein im Querschnitt betrachtet konkaver gehärteter Bereich 4. Diese konkave Ausbildung des Bereichs 4 kann nachteilige Bauteileigenschaften zur Folge haben. Beispielsweise können sich hierdurch Spannungsunterschiede innerhalb des Werkstücks 2 ergeben, die zu einer geringen mechanischen Stabilität führen können. Hierdurch können Nachbearbeitungsvorgänge notwendig werden, um ein ungleichmäßiges mechanisches Verhalten bei Belastung des Werkstücks 2 ausschließen zu können.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Induktor 5 mit einer Oberfläche 13, die einem zu härtenden Werkstück 10 angepasst ist. Aufgrund der halbrunden Querschnittsform des Induktors 5 und der konvexen Ausbildung der Oberfläche 13 ergibt sich beim Induktionshärten des Werkstücks 8 eine gleichmäßige Härtezone 7. D.h. die Härtezone 7 weist über ihre gesamte Ausdehnung eine ungefähr gleiche Tiefe auf.
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3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Induktors 15 mit einer nach außen gewölbten Oberfläche 19, die daher konkav ausgebildet ist. Diese Oberfläche 19 ist der zu härtenden Zone 17 zugewandt. Das Werkstück 16 ist im Querschnitt gesehen an beiden Seiten des Induktors 15, beispielsweise um einen gleichen Abstand 33, länger ausgedehnt. Durch die konkave Wölbung der Oberfläche 19 ergibt sich eine starke Magnetfeldwirkung an den Enden des Induktors 15, wodurch sich eine Härtewirkung auch entlang von Wirkungslinien 34 ergibt. Hierdurch kann, trotz der größeren räumlichen Ausdehnung des Werkstücks 16, eine gleichmäßige Härtezone 17 innerhalb des Werkstücks 16 erzielt werden.
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4 zeigt einen Induktor 20 mit einer nach innen gewölbten Oberfläche 23, die daher konvex ausgebildet ist. Aufgrund der konvexen Oberfläche 23 können Werkstücke mit einer gleichmäßigen Härtezone 22 versehen werden, bei denen der Induktor 20 eine größere räumliche Ausdehnung aufweist und sich daher beispielsweise ein Abstand 37 ergibt.
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5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Induktors 25, wobei der Induktor 25 eine stufenförmige, zum Werkstück 26 zugewandte, Oberfläche 27 aufweist. Diese stufenförmige Oberfläche 27 kann als eine Annäherung an eine konvexe Oberfläche entsprechend der 2 oder der 4 aufgefasst werden. Als besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform kann angesehen werden, dass eine ähnliche Oberfläche wie bei den 2 und 4 erzielt werden kann, wobei die Oberfläche 27 herstellungstechnisch weniger aufwändig erzeugt werden kann.
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6 zeigt einen weiteren Induktor 29 mit einer stufenförmigen Oberfläche 31, die nach innen gewölbt ist. Diese Ausführungsform kann als eine Annäherung an die Ausführungsform gemäß der 3 angesehen werden, wobei diese Ausführungsform herstellungstechnisch einfacher erreicht werden kann.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Induktor des Stands der Technik
- 2
- Werkstück
- 3
- Spalt zwischen Induktor und Werkstück
- 4
- Härtezone
- 5
- Induktor
- 6
- Spalt zwischen Induktor und Werkstück
- 7
- Härtezone
- 8
- Werkstück
- 9
- Grenzfläche zwischen dem gehärteten und dem ungehärteten Bereich
- 10
- Grenzfläche zwischen dem gehärteten und dem ungehärteten Bereich
- 11
- erste Oberfläche
- 12
- zweite Oberfläche
- 13
- erste Oberfläche
- 14
- zweite Oberfläche
- 15
- Induktor
- 16
- Werkstück
- 17
- Härtezone
- 18
- Oberfläche des Werkstücks
- 19
- Oberfläche des Induktors
- 20
- Induktor
- 21
- Werkstück
- 22
- Härtezone
- 23
- Oberfläche des Induktors
- 24
- Oberfläche des Werkstücks
- 25
- Induktor
- 26
- Werkstück
- 27
- Stufen des Induktors
- 28
- Oberfläche des Werkstücks
- 29
- Induktor
- 30
- Werkstück
- 31
- Stufen des Induktors
- 32
- Oberfläche des Werkstücks
- 33
- Abstand
- 34
- Wirkungslinie, schräg nach außen orientiert,
- 35
- Wirkungslinie, gerade nach unten orientiert,
- 36
- Abstand
- 37
- Abstand
