DE102019127231A1

DE102019127231A1 - Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Härten

Info

Publication number: DE102019127231A1
Application number: DE102019127231.9A
Authority: DE
Inventors: Heiko Schwibode
Original assignee: Liebherr Components Biberach GmbH
Current assignee: Liebherr Components Biberach GmbH
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-02-11
Also published as: WO2021028343A1; US20220186332A1; EP3993927A1; CN114502750A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Härten eines Werkstücks, insbesondere eines verzahnten und/oder gewellten und/oder geriffelten Werkstücks wie Zahnrad oder Sägeblatt, wobei eine formangepasste Induktionsschleife über die zu härtende Oberfläche des Werkstücks geführt oder gesetzt wird und wobei die Induktionsschleife durch additiven Materialauftrag schichtweise geformt und an die zu härtende Oberfläche formangepasst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Härten eines Werkstücks, insbesondere eines verzahnten und/oder gewellten Werkstücks wie Zahnrad, Kettenrad oder Sägeblatt, wobei eine formangepasste Induktionsschleife über die zu härtende Oberfläche geführt oder gesetzt wird.
Beim induktiven Härten wird bekanntermaßen eine Induktionsschleife in die Nähe der zu härtenden Oberfläche eines Werkstücks gebracht bzw. darüber hinweggeführt, wobei durch Anlegen einer Wechselspannung bzw. ggf. durch Relativbewegung zu einem Magnetfeld eine Spannung induziert wird, die im Werkstück Wirbelströme induziert und das Werkstück partiell erhitzt. Bei ausreichend großen Werkstücken fließt die Wärme ausreichend rasch in den Rest des noch kalten Werkstücks ab, sodass ein Härten eintritt, wobei ggf. aber auch ein Abschrecken vorgenommen werden kann. Durch Steuerung der Frequenz kann die Eindringtiefe bzw. Einhärtetiefe gesteuert werden, wobei der Grad der Erwärmung über die Stromstärke und Dauer der Stromzufuhr beeinflusst werden kann. Insgesamt lassen sich durch induktives Härten auch komplizierter konturierte Werkstücke gezielt nur in begrenzten Bereichen auf die erforderliche Härtetemperatur erwärmen und somit partiell härten.
Um an komplexeren Oberflächen wie Verzahnungen oder Wellungen oder Riffelungen ein über den Konturverlauf gleichförmiges Härteergebnis zu erzielen, werden die Induktionsschleifen an die Zahn- oder Wellenkontur bzw. allgemein die zu härtende Oberflächenkontur formangepasst, um einen möglichst gleichbleibenden Abstand zwischen zu härtender Oberflächenkontur und der Kontur der Induktionsschleife zu erzielen bzw. diesen Abstand gezielt über die Länge der Induktionsschleife zu variieren, wenn ein entsprechend nicht konstanter Verlauf der Härtetiefe gewünscht ist.
Üblicherweise werden die Induktionsschleifen innen hohl ausgebildet, um die Induktionsschleifen beim Härteprozess mit Wasser oder einem anderen Kühlmedium kühlen zu können. Dementsprechend werden die Induktionsschleifen durch Biegen und Verbinden von einzelnen Rohren hergestellt, die üblicherweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Je nach benötigter Kontur der Induktionsschleife werden verschiedene Rohrstücke zurecht geschnitten, abgesägt, gebogen und durch Löten miteinander verbunden, um die Kontur der Induktionsschleife an die zu härtende Oberflächenkontur des Werkstücks formanzupassen. Durch das besagte Zuschneiden, Absägen, Biegen und Löten ist die Geometriefreiheit der Induktionsschleifen jedoch beschränkt bzw. wird die Herstellung der gewünschten Induktionsschleifenkontur sehr schwierig und aufwändig.
Die Induktionsschleife darf das Werkstück beim Härteprozess nicht berühren und ist durch einen vorgegebenen Spalt zwischen Werkstück und Induktionsschleife separiert. Die Spaltbreite wird durch die Anpassung der Induktionsschleife an die Kontur des Werkstücks bzw. dessen zu härtenden Oberfläche bestimmt. Durch die begrenzte geometrische Anpassbarkeit der Induktionsschleife an das Werkstück werden daher aktuell Induktionsschleifen nur an einzelne Segmente des Werkstücks formangepasst, wobei das Werkstück an seinen einzelnen Segmenten nach und nach induktiv gehärtet wird. Beispielsweise werden beim Härten der Verzahnung eines Zahnrads oder einer Zahnstange üblicherweise Induktionsschleifen verwendet, die üblicherweise nur an eine Zahnlücke zwischen zwei benachbarten Zahnflanken oder an maximal zwei bis drei solche Zahnlücken formangepasst sind. Dabei wird die Induktionsschleife durch eine Vorschubbewegung parallel zur Drehachse des Zahnrads bzw. quer zur Längsrichtung der Zahnstange durch die Zahnlücke hindurchgeführt, wobei anschließend die Induktionsschleife oder das Zahnrad bzw. die Zahnstange ein Stück weiter gesetzt und durch eine erneute Vorschubbewegung die Induktionsschleife durch eine noch ungehärtete Zahnflanke hindurchgeführt wird. Somit wird Stück für Stück die Verzahnung induktionsgehärtet.
Bei der genannten Zahnlückenhärtung ist die Induktionsschleife also an zumindest zwei benachbarte Zahnflanken sowie den dazwischenliegenden Fußbereich formangepasst. Im Gegensatz zur Einzelzahnhärtung hat die genannte Zahnlückenhärtung den Vorteil, dass gerade im hoch beanspruchten Zahnfußbereich eine gleichmäßige Härtung erzielt wird und Härte-Unregelmäßigkeiten bedingt durch das zyklische Wiederansetzen der Induktionsschleife in der nächsten Zahnlücke bzw. der nächsten Zahnlückengruppe lediglich im Bereich des Zahnkopfs auftreten. Nichtsdestotrotz wäre es bei komplexeren Verzahnungsgeometrien wünschenswert, sowohl im Zahnfußbereich als auch im Zahnkopfbereich Härte-Unregelmäßigkeiten vermeiden zu können.
Grundsätzlich wäre es auch wünschenswert, eine größere Gruppe von Zähnen bzw. Zahnlücken oder ähnlichen Wellen- oder allgemein Oberflächenkonturen gleichzeitig induktiv härten zu können, um einerseits die für den Härtevorgang insgesamt benötigte Fertigungszeit zu verkürzen und andererseits möglichst wenige Härte-Unregelmäßigkeiten durch erneutes Wiederansetzen der Induktionsschleife zu haben. Gleichermaßen ist es wünschenswert, den Härteverlauf möglichst exakt steuern zu können, indem Formabweichungen zwischen Induktionsschleife und zu härtender Oberflächenkontur möglichst gering gehalten bzw. der Abstand zwischen Induktionsschleife und Oberflächenkontur möglichst exakt eingehalten werden kann.
Um mehrere Zähne bzw. Zahnlücken eines Zahnrads gleichzeitig härten zu können, schlägt die Schrift EP 23 10 542 B1 vor, mehrere Induktionsschleifen bzw.
Härteinduktoren zu verwenden, die um den Umfang des Zahnrads verteilt angeordnet sind, und zwar in einem Abstand voneinander, der einem ganzzahligen Vielfachen des Sektorwinkels zweier benachbarter Zähne entspricht. Wird das Zahnrad entsprechend der Teilung der Verzahnung weitergedreht, können immer mehrere Induktionsschleifen gleichzeitig durch die Zahnlücken gefahren werden. Dabei bleibt es jedoch bei den Härte-Unregelmäßigkeiten im Bereich der Zahnspitzen. Zudem bleibt die Härtezeit beträchtlich, da eine Vielzahl an Härtezyklen und entsprechender Revolverbewegung des Zahnrads bzw. der Härtevorrichtung notwendig sind.
Die Schrift EP 22 64 192 A1 schlägt eine Induktionshärtung von Zahnrädern unter Schutzgasbeaufschlagung vor, wobei das Schutzgas zumindest den gerade zu härtenden Sektor umgeben soll, um eine Verzunderung der Zahnflankenoberflächen zu verhindern. Die Induktionsschleife ist dabei an die zu härtende Zahnlücke formangepasst.
Die Schrift DE 10 2011 053 139 A1 schlägt vor, zum Härten der Verzahnung von Zahnstangen eine Induktionsspule zu verwenden, die einen S-förmig gekrümmten Verlauf besitzt, um den induzierten Strom zumindest teilweise orthogonal zu den Zahnflanken zu richten.
Um auch bei komplexeren Verzahnungsgeometrien eine gleichmäßige Härtetiefe zu erzielen, schlägt die Schrift DE 10 2008 041 952 B4 vor, eine gleichzeitige Beaufschlagung mit unterschiedlichen Frequenzen vorzusehen.
Weitere Vorrichtungen zum induktiven Härten von Verzahnungen sind aus den Schriften DE 956 259 B und DE 969 927 B bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum induktiven Härten von Werkstücken zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll auch für komplexer konturierte Werkstücke ein homogenes Härteergebnis ohne ungewünschte Härte-Unregelmäßigkeiten oder -variationen mit einem effizient durchführbaren, kurze Fertigungszeiten benötigenden Härteprozess erreicht werden, ohne hierfür übermäßige Werkzeugkosten zu benötigen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, die für das Härten des jeweiligen Werkstücks verwendete Induktionsschleife durch additiven Materialauftrag schichtweise in der benötigten Konturierung aufzubauen und hierdurch die Geometrie-Beschränkungen herkömmlicher Induktionsschleifen zu eliminieren, wie sie durch Sägen, Biegen und Löten von Rohrstücken gegeben sind. Erfindungsgemäß wird die Induktionsschleife durch additiven Materialauftrag schichtweise geformt, insbesondere schichtweise aufgebaut und beispielsweise thermisch verfestigt, und hierdurch an die zu härtende Oberfläche des Werkstücks formangepasst. Durch den additiven Materialauftrag und die hierdurch schichtweise entstehende Kontur lässt sich die Induktionsschleife sehr exakt auch an komplexere Oberflächenkonturen wie Verzahnungen exakt formanpassen, sodass der beim Härten einzuhaltende Spalt bzw. Abstand zwischen Induktionsschleife und Werkstückoberfläche exakt ausgebildet werden kann.
Insbesondere kann die Induktionsschleife mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, wobei die Induktionsschleife beispielsweise durch schichtweisen Aufbau im 3D-Drucker aufgebaut und gegebenenfalls durch thermische Nachbehandlung verfestigt werden kann.
Insbesondere können mittels eines Energiestrahls Werkstoffschichten nacheinander schichtweise verflüssigt und/oder verfestigt werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Werkstoffe pulverförmig und/oder pastös und/oder flüssig schichtweise aufgetragen und durch einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl oder Plasmastrahl entsprechend schichtweise aufgeschmolzen oder verfestigt und/oder ausgehärtet und/oder zur chemischen Reaktion gebracht werden, um jeweils eine ausgehärtete Schicht zu bilden. Durch die schichtweise Ausbildung kann die Induktionsschleife detailgetreu auch an schwierige Konturverläufe mit wechselnden Krümmungen und/oder eckigen Übergängen zwischen verschiedenen Geraden und/oder gekrümmten Konturabschnitten auch bei kleinteiligen Oberflächenkonturen exakt formangepasst werden, um den beim Härten benötigten Spalt zwischen Induktionsschleife und Werkstückoberfläche über die Oberflächenkontur hinweg konstant halten oder in der gewünschten Weise variieren zu können, wodurch sehr homogene Härteergebnisse erzielt werden können.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Induktionsschleife über viele Zahn-, Wellen- oder Riffelkonturen hinweg an die zu härtende Oberfläche formangepasst werden, wodurch Härte-Unregelmäßigkeiten beispielsweise an der Zahnspitze oder gar in einem Zahnfuß vermieden werden können. Insbesondere kann die Induktionsschleife an mehr als drei oder mehr als fünf oder auch an mehr als zehn bzw. auch an beliebig viele - vorzugsweise jeweils benachbarte - Zahnlücken oder Wellentäler oder Zähne oder Wellen oder Dellen oder Beulen oder Vorsprünge und Senken oder allgemein Vertiefungen oder Erhöhungen oder Gestaltänderungen des Werkstücks gleichzeitig formangepasst werden, indem die Induktionsschleife in der genannten Weise durch additiven Materialauftrag schichtweise geformt und dabei an die Oberflächenkontur formangepasst wird. Durch eine solche Induktionsschleife können die genannten mehr als drei oder mehr als fünf oder auch mehr als zehn Zahnlücken oder Wellensenken oder Vertiefungen und Vorsprünge gleichzeitig gehärtet werden. Durch das gleichzeitige Härten einer solchen Vielzahl von Oberflächen-Kontursegmenten wird einerseits die für das Härten benötigte Fertigungszeit signifikant gesenkt. Zum anderen werden Härte-Unregelmäßigkeiten vermieden, wie sie beim zahnweisen, zyklischen Wiederansetzen einer an nur eine Zahnlücke formangepassten Induktionsschleife entstehen.
Insbesondere können mittels der genannten Induktionsschleife auch mehr als 25% oder mehr als 50% oder mehr als 75% der gesamten zu härtenden Verzahnungs- und/oder Wellungs- und/oder Oberflächenkontur von der Induktionsschleife gleichzeitig umschlossen bzw. abgedeckt und gleichzeitig gehärtet werden. In Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen werden, dass die Induktionsschleife an die gesamte zu härtende Oberflächenkontur formangepasst und die gesamte zu härtende Oberflächenkontur des Werkstücks gleichzeitig gehärtet wird. Wird beispielsweise ein Zahnrad gehärtet, kann die Induktionsschleife ein Drittel oder zwei Drittel des Umfangs oder auch den gesamten Umfang des Zahnrads umgeben und dabei an die Konturen der Zahnlücken bzw. Zahnflanken und Zahnspitzen exakt bzw. in der gewünschten Weise formangepasst sein, um einen gleichmäßigen oder in der gewünschten Weise variierenden Abstand zwischen der Induktionsschleife und der Verzahnungsprofilkontur zu haben und dementsprechend ein homogenes Härteergebnis zu erzielen.
Wird andererseits eine Zahnstange gehärtet, kann sich die Induktionsschleife beispielsweise über ein Viertel oder die Hälfte oder drei Viertel der Länge oder auch die ganze Länge der Zahnstange bzw. des verzahnten Bereichs der Zahnstange erstrecken und dabei an die dabei überdeckten Zahnlücken und Zahnflanken und Zahnspitzen formangepasst sein.
Vorteilhafterweise kann die Induktionsschleife durch den schichtweisen, additiven Materialauftrag innen hohl ausgebildet werden, um im Inneren der Induktionsschleife einen Kühlmittelkanal auszubilden. In dem Kühlmittelkanal befindliches oder durch den Kühlmittelkanal strömendes Kühlmedium wie ein Wasser-Polymerlösungs-Gemisch oder Öl oder ein sonstiges flüssiges Kühlmedium kann beim Härten die Induktionsschleife kühlen bzw. vor Überhitzung schützen oder auch auf der gewünschten Temperatur halten. Trotz ggf. komplexer Schleifenkontur kann im 3D-Druck ein hohles Schleifenprofil mit im Inneren befindlichen Kühlmittelkanal ausgebildet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1: eine Seitenansicht einer Induktionsschleife einer Vorrichtung zum induktiven Härten eines Zahnrads, die sich über den gesamten Außenumfang des Zahnrads erstreckt und dabei an die Kontur der Zahnlücken und Zähne exakt formangepasst ist, wobei die Blickachse der Darstellung der Drehachse des Zahnrads entspricht,
2: eine perspektivische Darstellung der das zu härtende Zahnrad umgebenden Induktionsschleife in einer Blickrichtung schräg zur Drehachse des Zahnrads, die den an die Verzahnung formangepassten Konturverlauf der Induktionsschleife zeigt,
3: eine Seitenansicht eines Zahnrads und einer an dessen Verzahnung formangepassten Induktionsschleife, die im Gegensatz zur Ausführung nach den 1 und 2 nur an drei oder mehr Zahnlücken formangepasst ist und endseitig Zu- und Abläufe für ein Kühlmittel besitzt,
4: eine perspektivische Darstellung der das zu härtende Zahnrad teilweise umgebenden Induktionsschleife aus 3 in einer Blickrichtung schräg zur Drehachse des Zahnrads,
5: eine Seitenansicht eines Zahnrads und einer an dessen Verzahnung formangepassten Induktionsschleife, wobei die Induktionsschleife zwei Teilinduktionsschleifen zum gleichzeitigen Härten umfassen und derart konturiert ist, dass der Spalt zwischen Induktionsschleife und Verzahnungsoberflächenkontur einen nicht konstanten, vorbestimmten Spaltmaßverlauf besitzt,
6: eine perspektivische Darstellung des Zahnrads und der umgebenden Induktionsschleife aus 5 in einer Blickrichtung schräg zur Drehachse des Zahnrads,
7: eine Seitenansicht eines zweistufig verzahnten Zahnrads zum gleichzeitigen Härten und einer an die unterschiedlichen Verzahnungsbereiche formangepassten Induktionsschleife zum gleichzeitigen Härten der verschiedenen Zahnstufenbereiche, und
8: eine perspektivische Darstellung des mehrstufigen Zahnkranzes und der daran formangepassten Induktionsschleife aus 7 in einer Blickrichtung schräg zur Drehachse des Zahnkranzes.

Wie die 1 und 2 zeigen, kann die Induktionsschleife 2 zum partiellen Härten der Verzahnung 8 eines verzahnten Werkstücks 1 eingesetzt werden, wobei das genannte, verzahnte Werkstück 1 ein Zahnrad oder eine Zahnstange sein kann. Wie eingangs erläutert, können aber auch andere Werkstücke mit ähnlichen Wellen- oder Rillenkonturen oder auch anders konturierten Oberflächen in entsprechender Weise induktiv gehhärtet werden.
Vorteilhafterweise kann die Induktionsschleife 2 zumindest einen großen Teil der Verzahnung 8 gleichzeitig abdecken, insbesondere auch die gesamte Verzahnung 8, wie dies die 1 und 2 zeigen.
Die Induktionsschleife 2 wird in einem additiven Materialauftragsverfahren, insbesondere mit einem 3D-Druckverfahren hergestellt, wobei die Induktionsschleife durch schichtweisen Aufbau im 3D-Drucker aufgebaut und gegebenenfalls durch thermische Nachbehandlung verfestigt werden kann. Die Induktionsschleife wird dabei vorteilhafterweise aus einem elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Werkstoff aufgebaut.
Die Induktionsschleife 2 kann mit einem runden oder abgerundeten, flachgedrückten, beispielsweise elliptischen, aber auch einem eckigen, insbesondere rechteckigen oder quadratischen Querschnitt ausgebildet werden. Weiterhin kann die Induktionsschleife einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wenn dies durch die geometrischen Bedingungen des zu härtenden Werkstücks erforderlich ist.
Wie die 1 und 2 zeigen, kann die Induktionsschleife 2 durch den additiven, schichtweisen Materialauftrag exakt an die Form der Verzahnung 8 angepasst werden, insbesondere passgenau an die Zahnlücken 5 und die Zähne 6 der Verzahnung 8 formangepasst werden, sodass ein Spalt 9 zwischen der über die Verzahnung 8 gelegten Induktionsschleife 2 und den Zahn- und Zahnlückenkonturen exakt konstant eingehalten werden kann, sodass ein Spaltmaß entlang der Längserstreckung der Induktionsschleife 2 zumindest im Wesentlichen konstant bleibt. Hierdurch kann ein gewünschtes Härteergebnis, beispielsweise eine gleichförmige Härtetiefe erzielt werden.
Die Induktionsschleife 2 kann durch den additiven Materialauftrag und die schichtweise Ausbildung jedoch auch gezielt abweichend vom Konturverlauf der zu härtenden Oberfläche, insbesondere der Verzahnung 8 geformt werden, um einen definierten Verlauf des Spaltmaßes des Spalts 9 zu erzielen, beispielsweise an den Spitzen der Zähne 6 ein leicht größeres Spaltmaß als am Boden der Zahnlücken 5, wie dies die 5 und 6 zeigen. Insbesondere kann die Induktionsschleife 2 im 3D-Druckverfahren derart geformt werden, dass sich das Spaltmaß entlang der Induktionsschleife 2 kontinuierlich und/oder zyklisch ändert, um den gewünschten Härtetiefenverlauf zu erzielen.
Wie die 1 und 2 zeigen, kann die Induktionsschleife 2 sich über den gesamten Umfang des Zahnrads hinweg erstrecken und/oder sich über die gesamte Verzahnung 8 hinweg erstrecken und dabei an die Konturen der Zähne und Zahnlücken angepasst sein.
Wie die 1 und 2 zeigen, kann die Breite der Induktionsschleife 2 kleiner sein als die Dicke des Werkstücks 1. Beim induktiven Härtevorgang kann die Induktionsschleife 2 durch eine Vorschubbewegung über die gesamte Breite des Werkstücks 1 hinweggeführt werden, wobei eine solche Vorschubbewegung in Richtung der Drehachse des Zahnrads von der Induktionsschleife 2 und/oder von dem zu härtenden Werkstück 1 ausgeführt werden kann. Die Induktionsschleife 2 wird parallel zu den Zahnflanken der Zähne 6 bzw. parallel zur Sohle der Zahnlücken 8 über das Werkstück 1 hinweg geschoben, um die Verzahnung 8 über die gesamte Breite zu härten.
Alternativ wäre es jedoch auch möglich, die Induktionsschleife 2 breiter auszubilden, sodass die Breite der Induktionsschleife 2 der Dicke des Werkstücks 1 entspricht oder auch größer ist.
Wie die 1 und 2 zeigen, kann die Induktionsschleife 2 vorteilhafterweise eine Kühlmittelzufuhr 3 und eine Kühlmittelabfuhr 4 aufweisen, um in einen Kühlmittelkanal 7, der sich im Inneren der Induktionsschleife 2 erstreckt, einleiten zu können, insbesondere durch den genannten Kühlmittelkanal 7 hindurchzirkulieren zu können und die Induktionsschleife 2 durch das Kühlmittel im Kühlmittelkanal 7 beim Härten zu kühlen.
Der genannte Kühlmittelkanal 7 wird im Inneren der Induktionsschleife 2 beim schichtweisen Ausbilden der Induktionsschleife 2 durch additiven Materialauftrag ausgebildet.
Wie die 3 und 4 zeigen, kann die Induktionsschleife 2 ggf. aber auch nur einen Teilabschnitt der Verzahnung 8 überdecken, beispielsweise sich über drei benachbarte Zahnlücken 5 hinweg erstrecken. Auch hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass sich die Induktionsschleife 2 passgenau an die Konturen der Zahnlücken 5 und der die Zahnlücken 5 begrenzenden Zähne 6 passgenau anschmiegt, sodass ein Spalt 9 mit gleichbleibendem Spaltmaß erzielt wird. Das genannte Spaltmaß kann vom Boden der Zahnlücken 5 über die Zahnflanken bis zu den Spitzen bzw. Köpfen der Zähne 6 im Wesentlichen gleichbleibend sein, wie dies 3 zeigt.
Um die gesamte Verzahnung 8 zu härten, kann nach dem Härtezyklus der von der Induktionsschleife 2 überdeckten Zahnlücken 5 das Werkstück 1 um einen Winkel weitergedreht werden, der dem Winkel zwischen den äußersten, von der Induktionsschleife 2 erfassten Zahnlücken entspricht. Mit anderen Worten wird das Zahnrad um drei Zähne weiter gedreht, um die Induktionsschleife 2 in drei noch nicht gehärtete Zahnlücken 5 einführen zu können. Alternativ kann das Zahnrad auch um ein ganzzahliges Vielfaches des genannten Winkels weitergedreht werden, also beispielsweise um sechs oder neun Zähne. Alternativ oder zusätzlich zum Weiterdrehen des Zahnrads kann auch die Induktionsschleife 2 entsprechend verdreht werden, das heißt in Umfangsrichtung des Zahnrads weitergefahren werden.
Wie die 5 und 6 zeigen, kann die Induktionsschleife 2 auch derart an die Kontur der Verzahnung 8 formangepasst werden, dass der Spalt 9 zwischen Induktionsschleife 2 und Verzahnung 8 nicht exakt konstant bleibt, sondern variiert, insbesondere kontinuierlich und/oder stetig größer und wieder kleiner wird, um an verschiedenen Abschnitten der Verzahnung 8 verschiedene Härteergebnisse, insbesondere unterschiedliche Härtetiefen zu erzielen.
Unabhängig hiervon können, wie 5 und 6 zeigen, auch zwei oder mehrere Induktionsschleifen 2 gleichzeitig eingesetzt werden, wobei jede der Induktionsschleifen 2 einen Kühlmittelzufluss 3 und einen Kühlmittelabfluss 4 aufweisen kann. Vorteilhafterweise können dabei die Kühlmittelzufuhranschlüsse 3 und die Kühlmittelabfuhranschlüsse 4 von jeweils einem gemeinsamen Induktorfuß gespeist werden.
Wie die 7 und 8 zeigen, können an einem Werkstück 1 auch separate, voneinander getrennte Konturabschnitte gleichzeitig gehärtet werden. Eine oder mehrere Induktionsschleifen 2 können an verschiedene Konturabschnitte des Werkstücks 1 formangepasst sein, wobei die genannten Konturabschnitte insbesondere unterschiedliche Durchmesser aufweisen und/oder voneinander axial beabstandet sein können.
Wie die 7 und 8 zeigen, kann ein verzahntes Werkstück 1 zwei separate Verzahnungen 8 aufweisen, die beispielsweise verschiedene Zähnezahlen und/oder verschiedene Teilkreisdurchmesser besitzen können. Beispielsweise kann ein Stufenzahnkranz mit zwei Verzahnungen 8 gehärtet werden, indem beiden Verzahnungen 8 gleichzeitig eine Induktionsschleife 2 zugeordnet wird. Jede Induktionsschleife 2 kann dabei in der genannten Weise exakt an die Verzahnungskontur formangepasst sein, ggf. mit einer gewünschten Variation des Spaltmaßes.
Vorteilhafterweise kann die Induktionsschleife 2 dabei beide Verzahnungen 8 vollständig umgeben, wobei aber ggf. auch ähnlich den 3 bis 6 bei einer oder beiden Verzahnungen 8 auch nur ein Teilsektor von der Induktionsschleife 2 abgedeckt sein kann.
Wie die 7 und 8 zeigen, können zwei separate Induktionsschleifen 2 verwendet werden, die jeweils eine Kühlmittelzufuhr 3 und eine Kühlmittelabfuhr 4 aufweisen können, die von einem gemeinsamen Induktorfuß gespeist werden können. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, eine durchgängige Induktionsschleife 2 auszubilden, die beide Verzahnungen 8 entsprechend formangepasst umschließt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2310542 B1 [0008]
EP 2264192 A1 [0010]
DE 102011053139 A1 [0011]
DE 102008041952 B4 [0012]
DE 956259 B [0013]
DE 969927 B [0013]

Claims

Verfahren zum induktiven Härten eines Werkstücks (1), insbesondere eines verzahnten und/oder gewellten und/oder geriffelten Werkstücks wie Zahnrad, Kettenrad oder Sägeblatt, wobei eine formangepasste Induktionsschleife (2) über die zu härtende Oberfläche des Werkstücks geführt oder gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschleife (2) durch additiven Materialauftrag schichtweise geformt und an die zu härtende Oberfläche formangepasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Induktionsschleife (2) mittels eines 3D-Druckkopfs im 3D-Druckverfahren geformt und an die zu härtende Oberfläche formangepasst wird, wobei die Induktionsschleife durch schichtweisen Aufbau im 3D-Drucker aufgebaut wird und gegebenenfalls durch thermische Nachbehandlung verfestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) an mehr als drei oder mehr als fünf oder mehr als zehn Zahnlücken (5) oder Wellentäler des Werkstücks (1) formangepasst wird und mehr als drei oder mehr als fünf oder mehr als zehn Zahnlücken (5) des Werkstücks (1) gleichzeitig durch die genannte Induktionsschleife (2) gehärtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) durch den additiven Materialauftrag schichtweise hohl ausgebildet wird derart, dass ein durch die Induktionsschleife (2) hindurch verlaufender Kühlmittelkanal (7) ausgebildet wird, und durch in dem Kühlmittelkanal (7) befindliches Kühlmedium beim Härten die Induktionsschleife (2) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als 25% oder mehr als 50% oder mehr als 75% der gesamten zu härtenden Verzahnungs- und/oder Wellungs- und/oder Riffelkontur von der Induktionsschleife (2) gleichzeitig umgeben und gleichzeitig gehärtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) durch den additiven Materialauftrag schichtweise an zwei verschiedene, voneinander axial beabstandete und/oder unterschiedliche Durchmesser aufweisende Verzahnungskonturen des verzahnten Werkstücks formangepasst und die genannten verschiedenen Verzahnungskonturen des verzahnten Werkstücks (1) durch die Induktionsschleife (2) gleichzeitig gehärtet werden.
Vorrichtung zum induktiven Härten eines Werkstücks (1), insbesondere eines verzahnten und/oder gewellten Werkstücks wie Zahnrad, Kettenrad oder Sägeblatt, mit zumindest einer an die zu härtende Oberfläche des Werkstücks (1) formangepassten Induktionsschleife (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschleife (2) als Schichtbaukörper ausgebildet ist, dessen Materialschichten einzeln Schicht für Schicht verfestigt sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Induktionsschleife (2) mittels eines 3D-Druckers im 3D-Druckverfahren hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) in ihrem Inneren eines Kühlmittelkanal (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) an mehr als drei oder mehr als fünf oder mehr als zehn Zahnlücken oder Wellentäler des verzahnten oder gewellten Werkstücks formangepasst ist und mehr als drei oder mehr als fünf oder mehr als zehn benachbarte Zahnlücken oder Wellentäler gleichzeitig umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) zumindest einen Abschnitt mit einer sich kontinuierlich verändernden Krümmung besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) zumindest einen geraden und zumindest einen gekrümmten Abschnitt besitzt, die durch einen abgeknickten Abschnitt miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) an unterschiedliche, voneinander verschiedene Durchmesser besitzende Sektoren eines Zahnrads formangepasste Schleifenabschnitte besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) derart an mehrere Zahnlücken (5) und mehrere Zähne (6) formangepasst ist, dass ein Spalt (9) zwischen der Induktionsschleife (2) und der Verzahnung (8) über die mehreren Zahnlücken (5) und mehreren Zähne (6) hinweg konstantes, gleichbleibendes Spaltmaß besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Induktionsschleife (2) an mehrere Zahnlücken (5) und mehrere Zähne (6) derart formangepasst ist, dass ein Spalt (9) zwischen der Induktionsschleife (2) und der Verzahnung (8) über die mehreren Zahnlücken (5) und mehreren Zähne (6) hinweg ein sich stetig änderndes, zyklisch größer und kleiner werdendes Spaltmaß besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, wobei die Induktionsschleife (2) sich über mehr als 25% oder mehr als 50% oder mehr als 75% der Länge der Verzahnung (8) des Werkstücks (1) hinweg erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei die Induktionsschleife (2) sich über den gesamten verzahnten Umfang eines Zahnrads oder über die gesamte Länge der Verzahnung einer Zahnstange erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) zwei separate Induktionsschleifenabschnitte besitzt, die axial voneinander beabstandet sind und Hüllkonturen unterschiedlichen Durchmessers begrenzen derart, dass die beiden Induktionsschleifenabschnitte an verschiedene Verzahnungen (8) eines Stufenzahnkranz formangepasst sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Induktionsschleifenabschnitt mehr als drei Zahnlücken (5) umgibt, vorzugsweise jeweils die gesamte Verzahnung (8) umschließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife (2) zumindest einen Kühlmittelkanal im Inneren besitzt.