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Die Erfindung betrifft ein Induktor-Set, eine Induktoranordnung und ein Verfahren zum induktiven Härten eines länglichen Werkstücks.
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Aus dem Stand der Technik sind Induktoren zum induktiven Härten von länglichen, metallischen Werkstücken in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. In der Automobilzuliefererindustrie werden Antriebswellen oder andere längliche Werkstücke mittels Trommelhärteanlagen gehärtet. Die Werkstücke werden über einen Transportstern einer feststehenden Induktoranordnung zugeführt und dort während des Härtevorgangs in Rotation versetzt. Dabei muss für jede Bauteil-Art, die gehärtet werden soll, ein neuer Induktor gebaut werden, gerade wenn die Bauteile unterschiedlich lang sind. Dies ist sehr teuer und bedeutet aufwändige Konstruktionsarbeit.
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Die
DE 38 43 457 C1 beschreibt eine Induktoranordnung um unterschiedlich lange Werkstücke mit nur einer einzigen Induktoranordnung Oberflächen zu Härten. Die Induktoren weisen zwei zueinander parallele Leiterabschnitte auf, die rechtwinklig abgewinkelte Endabschnitte haben. Ein Endabschnitt ist jeweils bogenförmig über das zu härtende Werkstück geführt, das zwischen den Leiterabschnitten angeordnet werden kann. Die Induktoren können gegeneinander verschoben werden und so die Induktoranordnung in der Länge den jeweiligen Werkstücken angepasst werden.
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Die Magnetfelder, die dabei entstehen, sind nicht gleichmäßig entlang der kompletten Länge des Werkstücks, sondern unterliegen aufgrund der Form dieser Induktoranordnung Schwankungen. Eine gleichmäßige Härtung kann damit nicht erfolgen.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Induktor-Set bereitzustellen, das es ermöglicht, unterschiedlich lange Werkstücke kostengünstig zu härten und dabei ein gleichmäßiges Magnetfeld bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Induktor-Set mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Induktoranordnung zum induktiven Härten von länglichen, metallischen Werkstücken zu schaffen, mit dem ein gleichmäßiges Magnetfeld entlang eines zu härtenden Werkstücks ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Induktoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
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Die weitere Aufgabe ein Verfahren zum Härten von länglichen Werkstücken unter Verwendung des Induktor-Sets zu schaffen, das gleichmäßig gehärtete Werkstücke ermöglicht, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen des Induktor-Sets, der Induktoranordnung sowie des Härteverfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform des Induktor-Sets bezieht sich auf ein Induktor-Set für eine Induktoranordnung zum Härten von länglichen Werkstücken. Dieses Set umfasst einen oder mehrere Kopf-Induktor(en) und End-Induktor(en) und einen oder mehrere Mittel-Induktor(en). Dabei wird in Abhängigkeit einer Länge eines vorbestimmten Werkstücks die Induktoranordnung bereitgestellt aus dem Kopf-Induktor und dem End-Induktor oder dem Kopf-Induktor, dem End-Induktor und einem oder mehreren der Mittel-Induktor(en). Hierbei sind die Induktoren in Bezug auf das Werkstück in Axialrichtung hintereinander in einer Induktoranordnung anordenbar. Die Induktoranordnung erstreckt sich erfindungsgemäß entlang der gesamten Länge des Werkstücks.
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Vorteilhaft können so Induktorstücke zu einer Induktoranordnung zusammengesetzt werden, die exakt so lang ist, wie das Werkstück selbst. Werkstücke können hierbei jegliche länglichen, stabförmigen metallischen Bauteile sein, wie zum bspw. Pkw-Antriebswelle, Zahnstangen etc. So können zwei drei oder mehr Induktoren ausgewählt werden, die zeitgleich im Einsatz sind und ein Werkstück möglichst homogen erwärmen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Set eine Vielzahl an Mittelinduktoren aufweisen, die sich hinsichtlich ihrer Länge unterscheiden. Damit können individuell Induktorenanordnungen zusammengesetzt werden, die an die jeweilige Länge des zu härtenden Werkstücks angepasst sind. Aufgrund der Größenvariabilität des mittleren Induktors können mit wenigen Induktoren größere Bauteilspektren in unterschiedlichen Werkstücklängen abgedeckt werden. In einer Weiterbildung des Sets sind jeweils ein Kopf-, ein End- und zwei bis vier Mittelinduktoren vorgesehen; die Anzahl aller Induktoren, dabei insbesondere der Mittelinduktoren, kann jedoch nach der gewünschten Anwendung angepasst werden. Pkw-Antriebswellen haben typischer Weise Durchmesser von 25 mm bis 35 mm, Lkw-Antriebswellen haben typischerweise Durchmesser im Bereich von 50 mm. Die Längen variieren zwischen 350 mm und 1.000 mm.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Induktoranordnung, die zwei oder mehr Induktoren aus dem erfindungsgemäßen Induktor-Set aufweist. Diese können sich entlang der gesamten Längsausdehnung des zu härtenden Werkstücks erstrecken. Dadurch kann eine Induktoranordnung ermöglicht werden, deren Magnetfeld homogen über die gesamte Länge des so aufgebauten Gesamtinduktors verteilt ist und damit eine homogene Erwärmung oder Härtung des Werkstücks erzeugt.
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In der Induktoranordnung kann jeder Induktor aus zwei Induktorelementen aufgebaut sein, die jeweils einen zur Mittelachse des zu härtenden Werkstücks parallelen Leiterabschnitt aufweisen und an dessen Stirnseiten je ein teil-kreisförmiger Leiterabschnitt angeordnet ist, der ein elektrisch-mechanisches Verbindungselement aufweist. Mittels dieser Verbindungselemente kann jedes Induktorelement, d. h. jeder Induktor mit Strom und Kühlwasser versorgt werden und auch in einer Härtestation einer Härteanlage ortsfest verankert werden.
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Die Induktorelemente können gleichlang sein, oder unterschiedlich lang ausgebildet sein. Vorgesehen ist, dass die Induktorelemente von End- und Kopf-Induktor gerade in Bezug auf Antriebswellen, die Kontur des Werkstücks abbilden, so dass jedes Induktorelement den gleichen Abstand zum Werkstück hat. Damit kann eine besonders homogene Härtung erfolgen.
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In einer Weiterbildung der Induktoranordnung können die teil-kreisförmigen Leiterabschnitte jedes Induktors einen U-förmigen Querschnitt bilden. Die Leiterabschnitte können insbesondere viertelkreisförmig sein, und im zusammengesetzten Zustand einen Halbkreis bilden. Dieser U-förmige Querschnitt ist so gewählt, dass ein Werkstück zumindest teilweise aufgenommen werden kann und der Induktor das Werkstück in Umfangsrichtung quasi teilweise „umschließt“. Während der Härtung wird das Werkstück gedreht; so kann das Werkstück dem Magnetfeld gleichmäßig ausgesetzt werden.
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Ferner können in noch einer weiteren Ausführungsform der Induktoranordnung die elektrisch-mechanischen Verbindungselemente an der der offenen U-Form abgewandten Seite angeordnet sein. Dies realisiert einen einseitigen Anschluss (elektrisch, mechanisch), so dass Werkstücke einfach in die U-Form des Induktors eingesetzt werden können.
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Den Induktoren können in einer Weiterbildung ein oder mehrere Umrichter zugeordnet werden, wobei die Induktoren in Reihe oder parallel schaltbar sind. Es können somit verschiedene Taktungszyklen realisiert werden. So ist es möglich, eine kontinuierliche oder abwechselnd pulsende Taktung einzustellen.
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In einer Ausführung der Induktoranordnung können die Induktoren eine oder zwei Stirnseite(n) aufweisen, deren Form zu einer Form eines benachbart anzuordnenden Induktors korrespondiert. Dabei können die Stirnseiten flach ausgebildet sein oder alternativ eine korrespondierend ausgebildete Abstufung aufweisen. Induktoren stoßen somit stumpf aneinander (Luftspalt zwischen den Induktoren) oder sind überlappend, d. h. ein Teil der Halbschale ragt in den Bereich des nächsten Induktors hinein.
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Die Induktoranordnung sieht vor, dass zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Induktoren ein Spalt vorhanden ist und sich die Induktoren somit nicht berühren. Die Anordnung erzeugt ein besonders homogenes Magnetfeld. Die Größe des Spalts kann beliebig sein in einem Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, in Bezug auf die gegenseitige Beeinflussung der Induktoren.
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Ferner ist in einer weiteren Ausführungsform der Induktoranordnung vorgesehen, dass die Induktoren Feldkonzentratoren aufweisen, um das zu erzeugende Magnetfeld auf bestimmte Bereiche zu konzentrieren, zu verstärken oder homogener zu gestalten.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum induktiven Härten von länglichen, metallischen Werkstücken unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Induktor-Sets zum Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Induktoranordnung, das die folgenden Schritte umfasst:
- - je nach Länge des Werkstücks Auswählen zumindest zweier Induktoren aus dem Induktor-Set und Aneinanderfügen der benötigten Anzahl an Induktoren entsprechend der Länge des zu härtenden Werkstücks und damit Bereitstellen einer Induktoranordnung.
- - elektrisch und mechanisch Verbinden der Induktoren mit zumindest einem Umrichter,
- - mittels des Umrichters Versorgen der Induktoren mit Strom und dadurch Einstellen eines Magnetfeldes, dass sich entlang der Induktoranordnung erstreckt,
- - Zuführen des Werkstücks zu der Induktoranordnung und dort in Rotation versetzen des Werkstücks, dabei Einbringen des Werkstücks für eine vorbestimmte Zeitspanne in das Magnetfeld der Induktoranordnung und damit induktiv Erwärmen des Werkstücks; und
- - nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne Wegführen des erwärmten Werkstücks aus der Induktoranordnung.
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Um ein gleichmäßiges Magnetfeld einstellen zu können, können die Umrichter auf verschiedene Weisen eingesetzt bzw. miteinander verschaltet werden. Es kann ein Umrichter für alle Induktoren vorgesehen sein, an dem alle Induktoren angeschlossen werden. Die Induktoren werden dann in Reihe zueinander geschaltet. Alternativ kann jeder Induktor mit einem separaten Umrichter mit Strom versorgt werden. Diese Umrichter werden dann alle gleichzeitig betrieben oder können auch abwechselnd gepulst betrieben werden.
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Vorteilhaft kann unter Verwendung eines Zwillings- oder Drillingspakets der Induktoranordnung ein Werkstück homogen erwärmen bzw. härten, so dass keine Weichzone entsteht. Erfindungsgemäß ist die Weichzone ein Bereich einer Härtezone, in der die Härte unter einen vorgegebenen Grenzwert, die sogenannte Grenzhärte abfällt.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen der Induktoranordnung oder dem Induktor-Set verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Induktoranordnung mit drei Induktoren,
- 2 eine Seitenansicht der Induktoranordnung aus 1,
- 3 eine Frontansicht der Induktoranordnung aus 1,
- 4 eine Detailansicht auf die Stirnseite der Induktoranordnung aus 1,
- 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktoranordnung,
- 6 eine erste Ausführungsform der Stirnseite des Induktors, und
- 7 eine alternative Ausführungsform der Stirnseite des Induktors.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Induktor-Set, das aus mehreren Teilen besteht und aus dem eine Induktoranordnung 1 aufgebaut werden kann. Die in 1 bis 3 gezeigte Induktoranordnung 1 weist drei Induktoren, einen Kopf-Induktor 2, einen Mittel-Induktor 3 und einen End-Induktor 4 auf, die axial in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind. Der Mittel-Induktor 3 ist zwischen dem Kopf-Induktor 2 und dem End-Induktor 4 eingesetzt.
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Der Kopf-Induktor 2 und der End-Induktor 4 formen die Außenkontur des zwischen den Induktoren 2, 3, 4 eingesetzten Werkstücks 10 nach. Das Werkstück 10 wird von den Induktoren 2, 3, 4 zumindest bis zu seiner Hälfte umfangseitig umschlossen und kann so einfach in die Induktoranordnung 1 seitlich eingesetzt werden.
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Jeder Induktor 2, 3, 4 besteht aus mehreren Elementen: so weicht der Kopf-Induktor 2 ein erstes Induktorelement 2a und ein zweites Induktorelement 2b auf, die beide parallel zueinander, in Bezug auf das Werkstück 10 einander gegenüber angeordnet sind. An den Stirnseiten der Induktorelemente 2a, 2b sind elektrisch-mechanische Verbindungselemente 5 angebracht. Sie erstrecken sich von den stabförmigen Induktorelementen 2a, 2b rechtwinklig zu einer Seite und weisen neben geraden Endstücken zusätzlich viertelkreisförmige Abschnitte 5a auf, die wie 4 darstellt, dem Werkstück 10 angepasst dieses teilweise umfangseitigs umschließen (hier entlang eines Viertelkreises). An den elektrischen Verbindungselementen 5 ist über eine Leitung 5b und ein Umrichter 8 angeschlossen, mit dem und unter zu Hilfe weiterer elektronischer Komponenten (figurativ nicht dargestellt) der in 4 gezeigte Induktor 2 mit Strom versorgt werden kann, und so ein Magnetfeld entlang der Induktoren aufgebaut werden kann. Der Mittel-Induktor 3 weist analog Induktorelemente 3a, 3b und elektrische Verbindungselemente 6 auf; der End-Induktor 4 umfasst neben zwei Induktorelementen 4a, 4b ebenfalls elektrisch-mechanische Verbindungselemente 7.
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Eine Induktoranordnung kann wie in 1 aus drei Induktoren 2, 3, 4 aufgebaut sein; es ist aber auch möglich, die Induktoranordnung 1 auch nur aus zwei Induktoren 2, 4 aufzubauen, wie es in 5 gezeigt ist. Beliebige Längen von Werkstücken können damit abgedeckt und eine Induktoranordnung 1 generiert werden, die einfach der Länge des zu härtenden Werkzeugs 10 entspricht. Eine sehr homogene Erwärmung des Werkzeugs 10 kann so erreicht werden.
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Um ein homogenes Magnetfeld entlang der gesamten Länge des Werkstücks 10 erreichen zu können, sind gerade in Bezug auf die Verbindungsstellen der Induktorelemente 2, 3, 4 verschiedene Ausprägungen möglich, wie die 6 und 7 zeigen: Dort sind jeweils Stirnflächen 9 zweier benachbart zueinander angeordneter Induktorelemente 2a, 3a gezeigt. In 6 ist eine einfache Ausführung einer flachen Stirnseite 9 des Induktorelements 2a gezeigt, die Stoß an Stoß an die benachbarte Stirnseite 9 des Induktorelements 3a gelegt ist. Dabei ist ein kleiner Abstand zwischen den Induktorelementen 2a, 3a in Form eines Spalts vorgesehen. Die Induktoren dürfen sich nicht berühren oder müssen elektrisch isoliert voneinander getrennt angeordnet werden. Der Spalt soll nur wenige mm betragen.
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In einer weiteren Ausführungsform nach 7 ist eine andere Stirnseitenform gezeigt, wobei die Stirnseite 9 hier eine Abstufung aufweist, sodass ein Induktorelement 2a von dem anderen Induktorelement 3a überlappend überragt wird. Hierdurch kann ein besonders homogenes Magnetfeld erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Induktoranordnung
- 2
- Kopf-Induktor
- 2a, 2b
- Induktorelement
- 3
- Mittel-Induktor
- 3a, 3b
- Induktorelement
- 4
- End-Induktor
- 4a, 4b
- Induktorelement
- 5
- Elektrisch-mechanisches Verbindungselement
- 5a
- Viertelkreisförmige Abschnitte
- 6
- Elektrisch-mechanisches Verbindungselement
- 7
- Elektrisch-mechanisches Verbindungselement
- 8
- Umrichter
- 9
- Stirnseite
- 10
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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