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Die Erfindung betrifft eine Induktionshärtevorrichtung zum induktiven Härten eines Werkstückes.
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Eine Induktionshärtevorrichtung zum induktiven Härten eines Werkstückes ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 021 306 A1 bekannt. Eine große Herausforderung stellt das induktive Härten eines nicht-rotationssymmetrisch ausgebildeten Werkstückes, wie beispielsweise einer Kurbelwelle und/oder anderen Getriebebauteilen, dar. Induktionshärtevorrichtungen zum Härten von nicht-rotationssymmetrischen Werkstücken werden meist von Hand gefertigt, da eine möglichst gezielte Anpassung der Induktionshärtevorrichtung an die Formgebung des zu härtenden Werkstückes erforderlich ist. Die Herstellung einer derartigen Induktionshärtevorrichtung ist jedoch zeitaufwändig und kostenaufwändig. Die Eigenschaften und die Qualität einer von Hand hergestellten Induktionshärtevorrichtung ist zudem von der Person, die es gefertigt hat, abhängig. Erst nach Fertigstellung der Induktionshärtevorrichtung kann geprüft werden, ob die Induktionshärtevorrichtung die gewünschte Leistung erbringen kann. Nicht-rotationssymmetrische Werkstücke sind schwer zu härten, da sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Massenverteilungen Bereiche mit viel Masse und Bereiche mit weniger Masse aufweisen, wobei es bei nicht optimal ausgelegten Induktionshärtevorrichtungen vorkommen kann, dass die Bereiche mit viel Masse nicht so stark erwärmt werden wie die Bereiche mit weniger Masse. Die geforderten Radienhärtetiefen können dann nicht erreicht werden, so dass keine ausreichende Härtung des Werkstückes möglich ist. In einem solchen Fall muss die Induktionshärtevorrichtung überarbeitet werden, wodurch wiederum Kosten erzeugt werden und die Produktionszeiten sich erhöhen.
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Ein Hochfrequenzinduktionsheizgerät ist aus der
DE 11 2008 003 893 B4 bekannt. Hierbei ist eine Anordnung aus drei Führungselementen für eine Hochfrequenzinduktionsspule - einem oberseitigen, einem linksseitigen und einem rechtsseitigen - vorgesehen, die jeweils an einer Seitenplatte zum Abstützen einer halboffenen sattelförmigen Hochfrequenzinduktionsspule angebracht sind und die jeweils in Kontakt mit einem oberseitigen, einem linksseitigen und einem rechtsseitigen Abschnitt eines Lagerabschnitts oder eines Nockenabschnitts einer Kurbelwelle angeordnet sind, um einen vorbestimmten Spalt zwischen dem Lagerabschnitt oder dem Nockenabschnitt und der halboffenen sattelförmigen Hochfrequenzinduktionsspule sicherzustellen, wenn der Lagerabschnitt oder der Nockenabschnitt von der halboffenen sattelförmigen Hochfrequenzinduktionsspule einer Hochfrequenz-Induktionserwärmung unterzogen wird, wobei das oberseitige Führungselement für eine Hochfrequenzinduktionsspule feststehend an der Seitenplatte entlang der radialen Richtung des Lagerabschnitts oder des Nockenabschnitts angebracht ist, wobei mindestens eines der linksseitigen und rechtsseitigen Führungselemente für eine Hochfrequenzinduktionsspule so ausgestaltet ist, dass es von der Seitenplatte in einem freitragenden Zustand elastisch abgestützt wird, sodass mindestens eines der linksseitigen oder rechtsseitigen Führungselemente entlang der radialen Richtung des Lagerabschnitts oder des Nockenabschnitts bewegbar angeordnet ist, und die Abmessung zwischen den distalen Endabschnitten des linksseitigen und rechtsseitigen Führungselements für eine Hochfrequenzinduktionsspule so eingestellt ist, dass sie in einem Freizustand, in dem die drei Führungselemente für eine Hochfrequenzinduktionsspule nicht mit dem Lagerabschnitt oder dem Nockenabschnitt in Kontakt gebracht werden, kleiner wird als der Außendurchmesser des Lagerabschnitts oder des Nockenabschnitts. Die vorgesehenen Führungselemente dienen dazu, das zu härtende Werkstück mittig in dem Hochfrequenzinduktionsheizgerät zu positionieren, um ein gleichmäßiges Härten des Werkstücks zu erreichen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Induktionshärtevorrichtung zum induktiven Härten eines Werkstückes zur Verfügung zu stellen, welche sich durch ein verbessertes Härteverhalten insbesondere bei nicht-rotationssymmetrischen Werkstücken auszeichnet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Induktionshärtevorrichtung zum induktiven Härten eines Werkstückes gemäß der Erfindung weist eine Werkstückaufnahme, welche um eine Rotationsachse drehbar ist, und eine erste Induktionseinheit, welche eine ein magnetisches Feld generierende Induktionsspule und ein erstes Feldführungselement zur Beeinflussung der Führung des magnetischen Feldes aufweist, auf, wobei das erste Feldführungselement entlang der Rotationsachse axial beabstandet zu der Induktionsspule angeordnet und relativ zu der Induktionsspule in radialer Richtung zu der Rotationsachse bewegbar ist.
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Das zu härtende Werkstück wird an der Werkstückaufnahme befestigt. Die Werkstückaufnahme ist zusammen mit dem daran befestigten Werkstück um eine Rotationsachse drehbar, so dass während des Härteprozesses das Werkstück gedreht werden kann. Die Induktionseinheit der Induktionshärtevorrichtung ist hingegen an einem festen Punkt positioniert, so dass die Induktionseinheit selber nicht um eine Achse dreht, sondern das zu härtende Werkstück durch seine Drehbewegung die Induktionseinheit passiert. Die Induktionseinheit weist eine Induktionsspule und ein erstes Feldführungselement auf. Das erste Feldführungselement kann das von der Induktionsspule generierte magnetische Feld in Form von der Induktionsspule ausgehenden Magnetflusslinien in seiner Bewegungsrichtung beeinflussen. Dieses erste Feldführungselement zeichnet sich dadurch aus, dass dieses beabstandet zu der Induktionsspule angeordnet ist, so dass in axialer Richtung der Rotationsachse ein Abstand bzw. ein Spalt zwischen dem ersten Feldführungselement und der Induktionsspule ausgebildet ist. Ferner zeichnet sich das erste Feldführungselement dadurch aus, dass das erste Feldführungselement nicht in einer festen Position zu der Induktionsspule angeordnet ist, sondern dass dieses erste Feldführungselement relativ zu der Induktionsspule in radialer Richtung zu der Rotationsachse der Werkstückaufnahme bewegbar, insbesondere verschiebbar, ist. Durch diese Bewegbarkeit des ersten Feldführungselementes in radialer Richtung zu der Rotationsachse kann das erste Feldführungselement in Abhängigkeit einer Veränderung der Masse bzw. der Dicke des nicht-rotationssymmetrisch ausgebildeten Werkstückes beim Passieren der Induktionseinheit bewegt werden, so dass beispielsweise bei einer Dickenreduzierung bzw. Massereduzierung des zu härtenden Teiles des Werkstückes, welches die Induktionseinheit durch die Drehbewegung des Werkstückes zu einem definierten Zeitpunkt passiert, das erste Feldführungselement in Richtung der Rotationsachse bewegt werden kann, so dass es der unterschiedlichen Masseverteilung bzw. Dickenverteilung des zu härtenden Werkstückes folgen kann. Hierdurch kann insbesondere eine gezielte Lenkung und Einbringung der Magnetflusslinien in die an dem nicht-rotationssymmetrisch geformten Werkstück ausgebildeten Ecken bzw. Radien erfolgen, wodurch eine Härtung des Werkstückes im Bereich seiner Ecken bzw. Radien verbessert werden kann, insbesondere tiefer und gleichmäßiger erfolgen kann. Das erste Feldführungselement dient dazu, die von der Induktionsspule abgegebenen Magnetflusslinien zu beeinflussen bzw. optimal in das Werkstück zu lenken, so dass es mittels des ersten Feldführungselementes möglich ist, insbesondere bei unterschiedlichen Massen bzw. Dicken des Werkstückes, die Magnetflusslinien des magentischen Feldes der Induktionsspule optimal in das Bauteil zu lenken. Dadurch kann in Bereichen mit viel Masse des zu härtenden Werkstückes in kürzerer Zeit mehr Wärme erzeugt werden, was dazu führt, dass insbesondere in Ecken des nicht-rotationssymmetrisch ausgebildeten Werkstückes eine hohe und gleichzeitig homogene Radienhärtetiefe des zu härtenden Werkstückes erreicht werden kann. Mittels des ersten Feldführungselementes kann somit eine optimale Einbringung der Magnetflusslinien und damit eine optimale Wärmeeinbringung in das zu härtende Werkstück auch bei einen nicht-rotationssymmetrischen Werkstück erreicht werden. Die Herstellung einer derartigen Induktionshärtevorrichtung ist zudem einfacher bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der Induktionshärtevorrichtung. Das erste Feldführungselement ist vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, welches den Magnetfluss ablenken und/oder absorbieren kann, wie beispielsweise einem Trafoblech. Ausgebildet sein kann das erste Feldführungselement beispielsweise in Form eines Schildes.
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Die Induktionshärtevorrichtung kann bevorzugt ein erstes Trägerelement und ein zweites Trägerelement aufweisen, wobei die Induktionsspule der ersten Induktionseinheit an dem ersten Trägerelement angeordnet sein kann und das erste Feldführungselement der ersten Induktionseinheit an dem zweiten Trägerelement angeordnet sein kann. Durch die Anordnung der Induktionsspule an einem ersten Trägerelement und des ersten Feldführungselementes an einem von dem ersten Trägerelement unterschiedlichen zweiten Trägerelement kann ein definierter axialer Abstand zwischen der Induktionsspule und dem ersten Feldführungselement ausgebildet werden. Zudem kann durch die Anordnung der Induktionsspule des ersten Feldführungselementes an den beiden beabstandet zueinander angeordneten Trägerelementen eine definierte Positionierung der Induktionsspule zu dem ersten Feldführungselement ausgebildet werden, so dass eine Positionierung des ersten Feldführungselementes unmittelbar gegenüberliegend zu der Induktionsspule vorgesehen werden kann. Die beiden Trägerelemente sind vorzugsweise aus ein und demselben Material ausgebildet. Beispielsweise können sie aus einem Messingblech ausgebildet sein. Die Trägerelemente können beispielsweise jeweils in Form einer Platte ausgebildet sein.
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Die Induktionshärtevorrichtung kann zusätzlich zu der ersten Induktionseinheit bevorzugt eine zweite Induktionseinheit aufweisen, welche eine ein magnetisches Feld generierende Induktionsspule und ein erstes Feldführungselement zur Beeinflussung der Führung des magnetischen Feldes aufweist, wobei das erste Feldführungselement entlang der Rotationsachse axial beabstandet zu der Induktionsspule angeordnet und relativ zu der Induktionsspule in radialer Richtung zu der Rotationsachse bewegbar ist. Durch das Vorsehen einer zweiten Induktionseinheit zusätzlich zu der ersten Induktionseinheit kann die Härtung des zu härtenden Werkstückes schneller und gezielter erfolgen. Die erste Induktionseinheit und die zweite Induktionseinheit sind vorzugsweise baugleich zueinander ausgebildet. Zusätzlich zu der zweiten Induktionseinheit kann auch eine dritte Induktionseinheit, eine vierte Induktionseinheit usw. vorgesehen sein, welche bevorzugt ebenfalls jeweils baugleich zueinander ausgebildet sein können.
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Ist eine zweite Induktionseinheit vorgesehen, so ist die Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit vorzugsweise an dem zweiten Trägerelement und das erste Feldführungselement der zweiten Induktionseinheit an dem ersten Trägerelement angeordnet. Die zweite Induktionseinheit ist damit vorzugsweise spiegelverkehrt zu der ersten Induktionseinheit an den Trägerelementen angeordnet. Die beiden Induktionseinheiten sind vorzugsweise derart an den beiden Trägerelementen angeordnet, dass die einzelnen Bauteile der Induktionseinheiten, insbesondere die Induktionsspule und das erste Feldführungselement, sich gegenüberliegen, wobei die Induktionsspulen der ersten und der zweiten Induktionseinheit nicht an demselben Trägerelement und auch die beiden ersten Feldführungselemente nicht an ein und demselben Trägerelement angeordnet sind. Die Induktionsspule der ersten Induktionseinheit ist vorzugsweise seitlich versetzt zu der Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit angeordnet und das erste Feldführungselement ist vorzugsweise seitlich versetzt zu dem ersten Feldführungselement der zweiten Induktionseinheit angeordnet, so dass eine gegenseitige negative Beeinflussung der beiden Induktionseinheiten vermieden werden kann. Zudem kann durch die spiegelverkehrte Anordnung der Induktionseinheiten eine optimale Wärmeeinbringung in das zu härtende Werkstück von zwei Seiten erfolgen. Die aufzubringende, notwendige Energie zur Härtung des Werkstückes kann dadurch reduziert werden.
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Weiter kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass die erste Induktionseinheit ein zweites Feldführungselement aufweist und/oder dass die zweite Induktionseinheit ein zweites Feldführungselement aufweist. Zusammen mit dem ersten Feldführungselement kann das zweite Feldführungselement einer Induktionseinheit eine Einheit bilden, durch welche die Härtung des Werkstückes noch schneller erfolgen kann, wodurch eine Zeit- und Kostenersparnis bei der Härtung eines Werkstückes erreicht werden kann. Das zweite Feldführungselement kann im Gegensatz zu dem ersten Feldführungselement nicht beweglich positioniert sein, so dass das zweite Feldführungselement in einer festen Position zu der jeweiligen Induktionsspule angeordnet sein kann. Das zweite Feldführungselement kann somit dazu dienen, in einer sich nicht verändernden, festen Position die Magnetflusslinien der Induktionsspule in das zu härtende Werkstück einzubringen. Ein derartiges fest positioniertes zweites Feldführungselement kann sowohl an der ersten Induktionseinheit als auch an der zweiten Induktionseinheit vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass auch das zweite Feldführungselement der ersten Induktionseinheit und/oder der zweiten Induktionseinheit relativ zu der jeweiligen Induktionsspule beweglich angeordnet ist. Durch die bewegliche Anordnung auch des zweiten Feldführungselementes kann eine besonders gezielte Lenkung bzw. Ausrichtung und Einbringung der von Induktionsspule erzeugten Magnetflusslinien insbesondere in die Ecken bzw. Radien des zu härtenden Werkstückes erreicht werden.
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Um die Einbringung der Magnetflusslinien in das zu härtende Werkstück mittels des zweiten Feldführungselementes weiter optimieren zu können, ist es bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Feldführungselement der ersten Induktionseinheit in radialer Richtung zu der Rotationsachse hinter der Induktionsspule der ersten Induktionseinheit angeordnet ist. Dementsprechend ist es auch vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Feldführungselement der zweiten Induktionseinheit in radialer Richtung zu der Rotationsachse hinter der Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit angeordnet ist.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Induktionsspule der ersten Induktionseinheit und/oder die Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit eine U-Form aufweist, wobei eine Öffnung der U-Form bevorzugt in radialer Richtung von der Rotationsachse weg gerichtet ist. Die Induktionsspule weist somit vorzugsweise ein durchgängiges Hohlprofil auf, an deren freien Enden ein Ein- und Auslass für Kühlwasser angeordnet sein kann. Der der Öffnung gegenüberliegende Bogen der U-Form ist vorzugsweise in Richtung der Rotationsachse gerichtet, so dass der Bogen der U-Form der Teil der Induktionsspule ist, welche am Nächsten dran an der Rotationsachse der Werkstückaufnahme und damit an dem Werkstück selber ist, so dass möglichst viel Magnetfluss von der Induktionsspule unmittelbar in das zu härtende Werkstück eingebracht werden kann.
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Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Induktionsspule der ersten Induktionseinheit und/oder die Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit in einem 3D-Druckverfahren hergestellt ist. Durch die Herstellung der Induktionsspule in einem 3D-Druckverfahren ist eine beliebige Formgebung bzw. Geometrie der Induktionsspule möglich, wobei eine optimierte Formgebung bzw. Geometrie der Induktionsspule und damit eine optimierte Wirkleistung der zu formenden Induktionsspule anhand von Computermodellen und/oder Computerberechnungen in Abhängigkeit des Anwendungsfalls bzw. des zu härtenden Werkstückes bestimmt und definiert werden kann. Das 3D-Druckverfahren ermöglicht zudem eine hohe Genauigkeit bei der Formung der Induktionsspule, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient der Induktionsspule entsprechend angepasst werden kann und dadurch ein verbesserter Wirkungsgrad der Induktionsspule erreicht werden kann. Die Herstellung der Induktionsspule kann dadurch vereinfacht und gleichzeitig optimiert werden. Zudem kann eine Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Induktionsspule erreicht werden. Eine bei einem 3D-Druckverfahren gedruckte Induktionsspule zeichnet sich zudem aufgrund des Wegfalls von Schweiß- und/oder Lötstellen durch einen verbesserten erreichbaren Volumenstrom aus. Beispielsweise kann mittels des 3D-Druckverfahrens die Induktionsspule aus einem Kupfermaterial in einem selektiven Laserschmelzverfahren (SLM-Verfahren) gedruckt werden.
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Die Induktionsspule der ersten Induktionseinheit und/oder die Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit kann entlang ihrer Länge einen sich ändernden Querschnitt aufweisen. Durch den sich ändernden Querschnitt kann die Induktionsspule in ihrer Formgebung bzw. Geometrie derart beeinflusst sein, dass sie eine optimale Einbringung der Magnetflusslinien in das zu härtende Werkstück erreichen kann. Zudem ist eine optimale Anpassung der Induktionsspule in ihrer Formgebung an die Geometrie des zu härtenden Werkstückes möglich.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1a - 1c eine schematische Darstellung einer Funktionsweise der Induktionshärtevorrichtung gemäß der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Werkstückaufnahme, einem ersten Trägerelement und einem zweiten Trägerelement einer Induktionshärtevorrichtung gemäß der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten ersten Trägerelementes mit daran angeordneter Induktionsspule und Feldführungselementen;
- 4a - 4d eine schematische Darstellung einer Funktionsweise der Induktionshärtevorrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Induktionseinheiten, und
- 5 eine schematische Darstellung einer Induktionsspule gemäß der Erfindung.
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In 1a bis 1c ist eine schematische Funktionsweise einer Induktionshärtevorrichtung 100 zum induktiven Härten eines Werkstückes 200 gezeigt.
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Die Induktionshärtevorrichtung 100 weist eine Werkstückaufnahme 10, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt ist, auf, die um eine Rotationsachse 11 drehbar ist. Durch die Positionierung des Werkstückes 200 auf dieser Werkstückaufnahme 10 wird auch das Werkstück 200 um diese Rotationsachse 11 während des Härten des Werkstückes 200 gedreht.
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Ferner weist die Induktionshärtevorrichtung 100 mindestens eine Induktionseinheit 12, 12' auf, wobei in 1a - 1c nur eine Induktionseinheit 12 gezeigt ist, die hier als erste Induktionseinheit 12 bezeichnet ist.
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Die Induktionseinheit 12 weist eine Induktionsspule 13 auf, welche ein magnetisches Feld generieren kann. Die Induktionsspule 13 ist hier in einem Querschnitt gezeigt, wobei die Induktionsspule 13 einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und aus einem Hohlprofil ausgebildet ist. Die Induktionsspule 13 kann jedoch auch jeden anderen beliebigen Querschnitt aufweisen.
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Ferner weist die Induktionseinheit 12 ein erstes Feldführungselement 14 auf, welches dazu dient, das von der Induktionsspule 13 generierte magnetische Feld und damit die Magnetflusslinien 15 des magnetischen Feldes in ihrer Führung zu beeinflussen. Wie in den 1a bis 1c zu erkennen ist, ist das erste Feldführungselement 14 entlang der Rotationsachse 11 axial beabstandet zu der Induktionsspule 13 angeordnet. Durch diese axiale Beabstandung zwischen dem ersten Feldführungselement 14 und der Induktionsspule 13 ist ein Spalt S zwischen der Induktionsspule 13 und dem ersten Feldführungselement 14 ausgebildet.
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Das erste Feldführungselement 14 ist zudem relativ zu der Induktionsspule 13 in radialer Richtung zu der Rotationsachse 11 bewegbar, wie in den 1a bis 1c gezeigt ist, in welchen die verschiedenen Positionen des ersten Feldführungselementes 14 relativ zu der Induktionsspule 13 zu erkennen sind. Die Position des ersten Feldführungselementes 14 relativ zu der Induktionsspule 13 ist abhängig von der Massenverteilung des zu härtenden, nicht-rotationssymmetrischen Werkstückes 200, wobei das erste Feldführungselement 14 dieser unterschiedlichen Massen- bzw. Dickenverteilungen des zu härtenden Werkstückes 200 folgen kann.
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Zusätzlich zu dem ersten Feldführungselement 14 weist die Induktionseinheit 12 ein zweites Feldführungselement 17 auf. Dieses zweite Feldführungselement 17 ist bei der hier gezeigten Ausgestaltung im Gegensatz zu dem ersten Feldführungselement 14 relativ zu der Induktionsspule 13 fest positioniert, so dass keine Bewegung des zweiten Feldführungselementes 17 erfolgt. Das zweite Feldführungselement 17 erstreckt sich zudem im Wesentlichen in einem 90°-Winkel zu dem ersten Feldführungselement 14. Das zweite Feldführungselement 17 ist in radialer Richtung zu der Rotationsachse 11 hinter der Induktionsspule 13 der Induktionseinheit 12 angeordnet. Das zweite Feldführungselement 17 weist eine Länge auf, welche der Dicke der Induktionsspule 13 zumindest entspricht oder sogar länger ausgebildet ist, so dass mittels des zweiten Feldführungselementes 17 eine gesamte Abschirmung des Bereiches ausgehend von der Rotationsachse 11 hinter der Induktionsspule 13 ausgebildet werden kann.
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Sowohl das erste Feldführungselement 14 als auch das zweite Feldführungselement 17 können jeweils in Form eines Schildes ausgebildet sein.
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Zudem sind sowohl das erste Führungselement 14 als auch das zweite Führungselement 17 aus einem Material ausgebildet, welches den Magnetfluss der Induktionsspule 13 ablenken und/oder absorbieren kann. Beispielsweise können die Feldführungselemente 14, 17 jeweils aus einem Trafoblech ausgebildet sein.
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1a zeigt eine Positionierung der Induktionseinheit 12 derart, dass bei der in 1a gezeigten Ansicht das erste Feldführungselement 14 ausgehend von der Rotationsachse 11 hinter der Induktionsspule 13 und hinter dem zweiten Feldführungselement 17 positioniert ist, so dass das erste Feldführungselement 14 die von der Induktionsspule 13 erzeugten Magnetflusslinien 15 nicht in ihrer Ausdehnung beeinflusst. In dieser Position ist ein zu härtender Teil des Werkstückes 200 derart zu der Induktionsspule 113 positioniert, dass die Magnetflusslinien 15 unmittelbar von der Induktionsspule 13 in das Werkstück 200 eingebracht werden können und alleine das fest montierte zweite Feldführungselement 17 verhindert, dass Magnetflusslinien 15 abgelenkt und nicht in das Werkstück 200 eingebracht werden. Bei dieser Positionierung ist es somit ausreichend, dass das zweite Feldführungselement 17 die Magnetflusslinien 15 in das Werkstück 200 lenkt.
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Bei der in 1b gezeigten Positionierung ist eine Drehung des Werkstückes 200 um die Rotationsachse 11 derart erfolgt, dass sich die Massenverteilung des Werkstückes 200 im Bereich der Härtung des Werkstückes 200 verändert hat derart, dass die Induktionsspule 12 ein Stück über einen Bereich des Werkstückes 200 hinausragt. In dieser Position ist, um zu verhindern, dass Magnetflusslinien 15 ausgehend von der Induktionsspule 13 nicht in das Werkstück 200 geleitet werden, das erste Feldführungselement 14 ein Stück in radialer Richtung zu der Rotationsachse 11 bewegt bzw. verschoben, so dass mittels des verschobenen ersten Feldführungselementes 14 die Magnetflusslinien 15 in das zu härtende Werkstück 200 geführt bzw. gelenkt werden.
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1c zeigt eine Positionierung des Werkstückes 200, bei welcher das Werkstück 200 noch weiter um die Rotationsachse 11 gedreht ist, so dass zumindest auf einer Seite der Induktionsspule 13 kein Material des Werkstückes 200 mehr vorhanden ist. Das bewegliche erste Führungselement 14 folgt dieser Materialreduzierung bzw. Dickenreduzierung des Werkstückes 200 derart, dass es sich neben bzw. unter die Induktionsspule 13 bewegt, um die von der Induktionsspule 13 ausgehenden Magnetflusslinien 15 auch in diesem reduzierten Massenbereich des Werkstückes 200 optimal in das Werkstück 200 einleiten zu können. Damit ist eine Erwärmung und damit Härtung des Werkstückes 200 auch bei unterschiedlichen Radien des Werkstückes 200 entlang seiner Umfangsfläche optimal möglich.
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2 zeigt eine Induktionshärtevorrichtung 100 mit einem zu härtenden Werkstück 200, wobei das Werkstück 200 hier eine Kurbelwelle ist. Das Werkstück 200 ist fest an der Werkstückaufnahme 10 positioniert und kann durch eine Drehbewegung der Werkstückaufnahme 10 während des Härtevorganges um die Rotationsachse 11 gedreht werden. Ferner ist in 2 ein erstes Trägerelement 16 und ein zweites Trägerelement 18 gezeigt, wobei an diesen beiden Trägerelementen 16, 18 die einzelnen Elemente der Induktionseinheiten 12, 12' angeordnet sind. Die beiden Trägerelemente 16, 18 sind in einem bestimmten Abstand zueinander positioniert. Die beiden Trägerelemente 16, 18 sind plattenförmig ausgebildet und weisen im Wesentlichen die gleiche Form auf. Die Trägerelemente 16, 18 können in Bezug auf die Werkstückaufnahme 10 nach oben und nach unten bewegt werden, so dass sie von der Werkstückaufnahme 10 abgehoben werden können und auf diese aufgesetzt werden können. Die Bewegungsrichtung der Trägerelemente 16, 18 ist mit dem Pfeil 19 gekennzeichnet. Die Trägerelemente 16, 18 können somit in radialer Richtung zu der Rotationsachse 11 bewegt werden. Die beiden Trägerelemente 16, 18 können beispielsweise jeweils aus einem Messingblech ausgebildet sein.
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Die Induktionshärtevorrichtung 100 weist vorzugsweise zu der in 1a - 1c gezeigten ersten Induktionseinheit 12 eine zweite Induktionseinheit 12' auf, welche baugleich zu der ersten Induktionseinheit 12 ausgebildet ist. Die einzelnen Elemente der beiden Induktionseinheiten 12, 12'sind verteilt auf die beiden Trägerelemente 16, 18 angeordnet.
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In 3 ist beispielhaft das erste Trägerelement 16 mit den daran befestigten einzelnen Elementen der Induktionseinheiten 12, 12' gezeigt. An diesem ersten Trägerelement 16 ist die Induktionsspule 13 der ersten Induktionseinheit 12 und das zweite Feldführungselement 17 der ersten Induktionseinheit 12 positioniert und ferner ist an dem ersten Trägerelement 16 das erste Feldführungselement 14' der zweiten Induktionseinheit 12' positioniert. Zwischen der Induktionsspule 13 der ersten Induktionseinheit 12 und dem ersten Feldführungselement 14' der zweiten Induktionseinheit 12' ist ein Distanzelement 20 angeordnet, um einen definierten Abstand zwischen der Induktionsspule 13 der ersten Induktionseinheit 12 und dem ersten Feldführungselement 14' der zweiten Induktionseinheit 12' erreichen zu können. An dem Trägerelement 16 sind Führungselemente 21, beispielsweise in Form von Führungsschienen, angeordnet, in welchen das erste Feldführungselement 14 bewegt werden kann, damit dieses in radialer Richtung zu der Rotationsachse 11 bewegt werden kann. Die Führungselemente 21 sind seitlich an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des ersten Feldführungselementes 14 angeordnet.
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An dem zweiten Trägerelement 18 sind dann die Induktionsspule 13' und das zweite Feldführungselement 17' der zweiten Induktionseinheit 12' und das erste Feldführungselement 14 der ersten Induktionseinheit 12 angeordnet. Die beiden Induktionseinheiten 12, 12'sind somit zueinander spiegelverkehrt an den beiden Trägerelementen 16, 18 angeordnet.
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In 4a bis 4d ist die in 2 gezeigte Anordnung und Funktionsweise einer Induktionshärtevorrichtung 100 mit zwei Induktionseinheiten 12, 12' noch einmal gezeigt, wobei die beiden Trägerelemente 16, 18 zur besseren Veranschaulichung hier nicht dargestellt sind.
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Dabei ist zu erkennen, dass die Induktionsspule 13 der ersten Induktionseinheit 12 axial beabstandet entlang der Rotationsachse 11 zu dem ersten Feldführungselement 14 der ersten Induktionseinheit 12 angeordnet ist, wobei sich die Induktionsspule 13 und das erste Feldführungselement 14 unmittelbar gegenüberliegen. Bei der zweiten Induktionseinheit 12' ist die Anordnung der Induktionsspule 13', des ersten Feldführungselementes 14'und des zweiten Feldführungselements 17' genau spiegelverkehrt zu der ersten Induktionseinheit 12 vorgesehen. Damit ist die Induktionsspule 13 der ersten Induktionseinheit 12 seitlich versetzt und axial beabstandet zu der Induktionsspule 13' der zweiten Induktionseinheit 12' angeordnet. Ferner ist das erste Feldführungselement 14 der ersten Induktionseinheit 12 seitlich versetzt und axial beabstandet zu dem ersten Feldführungselement 14' der zweiten Induktionseinheit 12' angeordnet.
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In den 4a bis 4d ist die Rotation des Werkstückes 200 um die Rotationsachse 11 dargestellt. Aufgrund der Rotation des Werkstückes 200 und aufgrund der durch die nicht-rotationssymmetrische Ausgestaltung des Werkstückes 200 erfolgenden Massenveränderung bzw. Dickenveränderung des Werkstückes 200 erfolgt eine Verschiebung der ersten Feldführungselemente 14, 14' relativ zu den ihnen zugeordneten Induktionsspulen 13, 13' ihrer Induktionseinheiten 12, 12' während des Härteprozesses, wie in den 4a - 4d gezeigt ist. In den 4a bis 4d ist somit die Anpassung der ersten Feldführungselemente 14, 14' an die Drehbewegung des Werkstückes 200 gezeigt, so dass die ersten Feldführungselemente 14, 14' den sich durch die Drehbewegung des Werkstückes 200 ändernden Radien des Werkstückes 200 folgen.
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5 zeigt eine Darstellung einer möglichen Formgebung der Induktionsspule 13, 13'. Die Induktionsspule 13, 13' ist in einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Sie ist in Form eines Hohlprofiles ausgebildet und weist einen Einlass 22, 22' und einen Auslass 23, 23' für Kühlmittel auf. Entlang ihrer Länge weist die Induktionsspule 13, 13' einen sich ändernden Querschnitt auf. Zudem ist die Induktionsspule 13, 13' entlang ihrer Länge verdreht ausgebildet. Durch die Herstellung in einem 3D-Druckverfahren ist eine individuelle Anpassung der Form der Induktionsspule 13, 13' an die jeweiligen Bedingungen möglich.
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Die Induktionsspule 13, 13' weist im Wesentlichen eine U-Form auf. Wie in den 3 und 4a bis 4d zu erkennen ist, ist die Induktionsspule 13, 13' derart zu dem Werkstück 200 positioniert, dass die Öffnung 24, 24' der U-Form in radialer Richtung von der Rotationsachse 11 weggerichtet ist, so dass der gegenüberliegend zu der Öffnung 24, 24' positionierte Bogen 25, 25' der U-Form in Richtung der Rotationsachse 11 gerichtet ist bzw. zeigt. Das fest positionierte zweite Feldführungselement 17, 17' ist im Bereich des Bogens 25, 25' unmittelbar benachbart zu der Induktionsspule 13, 13' angeordnet.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausgestaltungen. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Induktionshärtevorrichtung
- 10
- Werkstückaufnahme
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Erste Induktionseinheit
- 12'
- Zweite Induktionseinheit
- 13
- Induktionsspule der erste Induktionseinheit
- 13'
- Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit
- 14
- Erstes Führungselement der ersten Induktionseinheit
- 14'
- Erstes Führungselement der zweiten Induktionseinheit
- 15
- Magnetflusslinie
- 16
- Erstes Trägerelement
- 17
- Zweites Führungselement der ersten Induktionseinheit
- 17'
- Zweites Führungselement der zweiten Induktionseinheit
- 18
- Zweites Trägerelement
- 19
- Richtungspfeil
- 20
- Distanzelement
- 21
- Führungselement
- 22
- Einlass der Induktionsspule der ersten Induktionseinheit
- 22'
- Einlass der Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit
- 23
- Auslass der Induktionsspule der ersten Induktionseinheit
- 23'
- Auslass der Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit
- 24
- Öffnung der Induktionsspule der ersten Induktionseinheit
- 24'
- Öffnung der Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit
- 25
- Biegung der Induktionsspule der ersten Induktionseinheit
- 25'
- Biegung der Induktionsspule der zweiten Induktionseinheit
- 200
- Werkstück
- S
- Spalt
