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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Induktor zum Vorschub-Randschichthärten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim induktiven Vorschub-Randschichthärten wird ein Induktor mit einer Leiterschleife im Vorschubbetrieb über eine zu härtende Oberfläche geführt. Die Leiterschleife liegt dabei in einer der zu härtenden Oberfläche angepassten Induktionsfläche. Vorzugsweise ist die Induktionsfläche im Wesentlichen parallel zu der zu härtenden Oberfläche gewählt. Während des Randschichthärtens sollte für eine gleichmäßige Härtung zwischen der Leiterschleife als Induktionsspule und der zu härtenden Oberfläche ein vorgebbarer Abstand mit hoher Genauigkeit eingehalten werden. Um eine möglichst effiziente Aufwärmung durch Induktion zu erreichen, ist ein geringer Abstand im Millimeter- oder Submillimeterbereich vorteilhaft. Andererseits ist aber auch ein unzulässig geringer Abstand und insbesondere ein direkter Kontakt zwischen der Induktionsspule und dem zu härtenden Werkstück zu vermeiden, um lokale Überhitzungen und Materialanhaftungen durch ein Aufschmelzen zu verhindern. Dabei ist zu berücksichtigen, dass gerade beim Einschalten der Ströme zu Beginn des Härtens erhebliche Anziehungskräfte zwischen Induktor und zu härtender Oberfläche entstehen, die den Induktor in Richtung der zu härtenden Oberfläche ziehen können. Auch ein durch die Erwärmung und das Abschrecken verursachter Verzug des Ringes, beispielsweise in Form von Abkippung, Ringwachstum oder Schrumpf, verändert den Kopplungsabstand zwischen Induktor und Ringlaufbahn. Solche Änderungen können nicht immer mit hinreichender Zuverlässigkeit durch eine Nachführsteuerung des Induktors ausgeglichen werden, da die Nachführsteuerung den Abstand nur an einem Punkt und nicht auf der gesamten Fläche des Induktors abtasten kann.
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Um unzulässig geringe Abstände und Berührungen zwischen der Leiterschleife und der zu härtenden Oberfläche mit den damit verbundenen Nachteilen zuverlässig zu verhindern, ist aus
DE 10 2013 101 057 A1 ein flächiger Induktor mit einem Träger und einer von dem Träger aufgenommenen an einer ersten Seite des Trägers freiliegenden Induktionsspule in Form einer Leiterschleife bekannt. In den Träger sind zwei in einem Abstand zueinander angeordnete an der ersten Seite aus dem Träger über die Leiterschleife vorstehende Abstandselemente eingesetzt. Die Abstandselemente sind vorzugsweise aus Keramik gefertigt. Um eine nachträgliche Verstellung der Abstandselemente auszuschließen, ist eine dauerhafte Befestigung der Abstandselemente durch Verkleben vorgesehen. Nachteilig ist, dass durch die während des Härtevorgangs zumindest zeitweilig auftretenden hohen Anpressdrücke die vorbekannten stiftförmigen Abstandselemente in den zu härtenden Oberflächen Beschädigungen in Form von Riefen hinterlassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Induktor zum Vorschub-Randschichthärten anzugeben, der während des Randschichthärtens einen vorgebbaren Minimalabstand zu der zu härtenden Oberfläche sicher einhält und bei dem zugleich die Oberflächenqualität der gehärteten Oberflächen verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Induktor zum Vorschub-Randschichthärten mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Hierdurch wird ein Induktor zum Vorschub-Randschichthärten mit einem Träger und einer von dem Träger gehaltenen, an einer ersten Seite des Trägers angeordneten Induktionsspule in Form einer eine Induktionsfläche definierenden Leiterschleife geschaffen, wobei mindestens ein Abstandselement in den Träger eingesetzt ist, das an der ersten Seite aus dem Träger über die Leiterschleife hinaus vorsteht. Das mindestens eine Abstandselement weist an seinem vorstehenden Ende ein drehbar gelagertes Abrollelement auf. Die Induktionsspule kann beispielsweise freiliegend an der ersten Seite des Trägers angeordnet sein.
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Durch das Vorsehen eines drehbar gelagerten Abrollelements an dem vorstehenden Ende des mindestens einen Abstandselements treten die Abrollelemente bei einer Annäherung mit der zu härtenden Oberfläche in einen Rollkontakt. Im Rollkontakt wird eine relative Bewegung der Kontaktflächen zueinander weitgehend vermieden, wodurch die zu härtende Oberfläche geschont und einer Riefenbildung vorgebeugt wird.
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Bevorzugt sind mindestens zwei Abstandselemente beabstandet zueinander in den Träger eingesetzt. Insbesondere bei größeren Induktionsflächen kann durch Verwendung mehrerer Abstandselemente eine gleichmäßigere Mindestbeabstandung zum Werkstück über die gesamte Induktionsfläche sichergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abrollelement durch eine drehbar gelagerte Vollkugel gebildet. Vorteilhaft ist, dass eine Vollkugel um eine beliebige Drehachse drehbar ist und somit ein Abrollen in beliebiger Richtung ermöglicht. Die Vollkugel kann beispielsweise zur Lagerung an dem Abstandselement an dessen vorstehendem Ende eingebördelt sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Abrollelement scheibenförmig ausgebildet und an dem Abstandselement in Vorschubrichtung des Induktors drehbar gelagert sein. Beispielsweise kann das scheibenförmige Abrollelement als Rolle ausgebildet sein. Da die Geometrie der Leiterschleife von Induktoren zum Vorschub-Randschichthärten regelmäßig an die vorgesehene Vorschubrichtung des Induktors angepasst ist, ist die Bewegungsrichtung der Abrollelemente über die zu härtende Oberfläche, die der Vorschubrichtung entspricht, beim Design des Induktors bekannt und festgelegt. Es kann daher ausreichend sein, ein scheibenförmiges Abrollelement einzusetzen, das in Vorschubrichtung abrollbar montiert wird.
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Das Abrollelement kann an dem Abstandselement federvorgespannt gelagert sein. Durch eine Federvorspannung kann ein hartes Aufsetzen des Abrollelements auf der zu härtenden Oberfläche vermieden werden und dadurch hervorgerufene Oberflächenschäden weiter verringert werden. Vorzugsweise weist die Einfederung der Federvorspannung einen Endanschlag auf, durch den ein vorgebbarer Mindestabstand zwischen Leiterschleife und zu härtender Oberfläche definiert ist.
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Vorzugsweise ist das Abrollelement aus einer Siliziumnitrid-Keramik hergestellt. Siliziumnitrid-Keramiken zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Oxid-Keramiken durch eine besonders hohe Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit aus. Insbesondere im Moment des Aufsetzens auf der zu härtenden Oberfläche wird das Abrollelement einem hohen Temperatursprung ausgesetzt, dem herkömmliche Keramiken nur eine begrenzte Häufigkeit standhalten können, bevor Abplatzungen an der Keramik auftreten. Durch Einsatz von Siliziumnitrid-Keramiken kann daher die wartungsfreie Betriebsdauer des Induktors erhöht werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das mindestens eine Abstandselement einen stiftförmigen, das Abrollelement lagernden Hauptteil auf, an dem ein Außengewinde ausgebildet ist, das in ein am Träger ausgebildetes Innengewinde eingreift. Der stiftförmige Hauptteil des Abstandselements ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Die Schraubverbindung zwischen Träger und Abstandselement erleichtert den Wechsel defekter Abstandselemente. Insbesondere ist auch eine zerstörungsfreie Entnahme und Wiederverwendung der Abstandselemente möglich. Bei einer Klebeverbindung hat sich dagegen als nachteilig erwiesen, dass diese für einen Austausch bzw. eine Reparatur zunächst mit einer Flamme erwärmt werden muss, um die Abstandselemente anschließend mit mechanischem Druck aus der Verbindung zu lösen. Dabei wird der Träger thermisch und mechanisch beansprucht, was wiederum zu einer kürzeren Standzeit von magnetfeldkonzentrierenden Eigenschaften des Trägers führen kann. Das mechanische Lösen der Abstandselemente kann auch zu Verzügen am Heizleiter führen, welche aufwendig gerichtet werden müssen. Das Einkleben neuer Abstandselemente ist zudem zeitaufwendig, da der Kleber üblicherweise in einem Ofen ausgehärtet werden muss. Bei einer Schraubverbindung ist kein thermisches und mechanisches Lösen einer Klebestelle erforderlich und ein Verziehen der Leiterschleife tritt beim Herausschrauben der Abstandselemente nicht mehr auf. Das Richten der Leiterschleife und das Aushärten des Klebers entfallen ebenfalls.
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Durch die Schraubverbindung wird ferner die Einstellbarkeit des Vorsprungs des Abstandselements gegenüber dem Träger erleichtert. Bei einem Verkleben kann der Vorsprung nur mit Hilfe von Hilfsmitteln (wie beispielsweise Gegenplatten und Schraubzwingen) eingestellt werden. Wird der gewünschte Vorsprung beim Einkleben nicht erzielt, muss das Abstandselement wieder gelöst und erneut eingeklebt werden. Auch hat sich beim Einkleben als nachteilig erwiesen, dass sich der Vorsprung über längere Betriebsdauern hinweg gegenüber dem ursprünglich eingestellten Zustand verändern kann. Bei einer Schraubverbindung kann das Einstellen des Abstandsmaßes dagegen leicht über ein Drehen des Abstandselements erfolgen. Für eine stufenlose Einstellbarkeit des Abstandsmaßes wird eine Schraubverbindung bevorzugt in Kombination mit einer Vollkugel als Abrollelement eingesetzt, die bei beliebiger Schraubenstellung in Vorschubrichtung abrollbar gelagert verbleibt.
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Auf das Außengewinde ist bevorzugt eine Kontermutter aufgeschraubt zur Verkonterung des jeweiligen Abstandselements gegen den Träger. Durch die Kontermutter wird das Abstandselement gegen ein unbeabsichtigtes Verdrehen gesichert. Damit wird sichergestellt, dass das eingestellte Abstandsmaß gleichbleibt. Alternativ kann ein Verkonterung auch über eine zusätzliche Schraube erfolgen, welche von der werkstückabgewandten Seite in das Gewinde des Trägers geschraubt wird.
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Vorzugsweise steht das Abrollelement des mindestens einen Abstandselements bezogen auf die durch die Leiterschleife definierte Induktionsfläche um 0,5 mm bis 5 mm über die Leiterschleife hinaus vor. Hierdurch wird ein beim Vorschubhärten vorteilhafter Minimalabstand zwischen Leiterschleife und zu härtenden Oberfläche definiert.
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Der Träger des Induktors enthält vorzugsweise ein Weicheisen-Kunststoff-Compound als Flusskonzentrationsmaterial. Der Träger weist dadurch neben der Halterungsfunktion für die Leiterschleife eine Flusskonzentrationsfunktion auf, durch die der Magnetfeldfluss auf die zu härtende Oberfläche konzentriert wird. Vorzugsweise ist der Träger im Wesentlichen aus dem Weicheisen-Kunststoff-Compound hergestellt.
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Vorzugsweise ist die Leiterschleife in eine innerhalb des Trägers gebildete Nut eingesetzt ist. Hierdurch kann zum einen die Halterung durch den Träger, zum anderen auch die Flusskonzentrationsfunktion des Trägers verbessert werden. Der Magnetfeldfluss tritt somit bevorzugt im Wesentlichen an den freiliegenden Teilen der Leiterschleife und den der zu härtenden Oberfläche zugewandten Flächen des Trägers aus und ist so auf die zu härtende Oberfläche konzentriert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Induktor im Querschnitt,
- 2 zeigt schematisch den Induktor aus 1 vor dem Einschrauben der Abstandselemente,
- 3 zeigt schematisch den Induktor gemäß 1 in einer Seitenansicht und
- 4 zeigt schematisch den Induktor gemäß 1 im Längsschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Induktors 1 zum Vorschub-Randschichthärten gezeigt. Der Induktor 1 umfasst einen Träger 2 und eine von dem Träger 2 gehaltene, an einer ersten Seite 3 des Trägers 2 Induktionsspule. Die Induktionsspule ist in Form einer Leiterschleife 4 gebildet, die eine Induktionsfläche F definiert. Die Induktionsspule ist bevorzugt auf der ersten Seite 3 des Trägers 2 freiliegend angeordnet.
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Die Induktionsfläche F ist dabei vorzugsweise durch die werkstückzugewandte Oberfläche der Leiterschleife 4 definiert.
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Während des Vorschub-Randschichthärtens wird der Induktor 1 in einer Vorschubrichtung V über eine zu härtende Oberfläche 13 eines metallischen Werkstücks geführt, beispielsweise über die Wälzlagerlaufbahn eines Großwälzlagers. Dabei ist der Induktor 1 auf einer Führung montiert, die dafür vorgesehen ist, den Induktor 1 auf einem Soll-Abstand S0 zur Oberfläche 13 zu halten.
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In den Träger 2 sind zwei Abstandselemente 5 beabstandet zueinander eingesetzt, die an der ersten Seite 3 aus dem Träger 2 über die Leiterschleife 4 hinaus vorstehen. Die Abstandselemente 5 weisen an ihrem vorstehenden Ende ein drehbar gelagertes Abrollelement 6 auf. Das Abrollelement 6 ist so gelagert, dass es zumindest in Vorschubrichtung V auf der Oberfläche 13 abrollbar ist. Denkbar sind auch Ausführungsformen mit mehr als zwei, beispielsweise 3 oder 4 Abstandselementen 5, die über die von der Leiterschleife 4 definierte Induktionsfläche F verteilt angeordnet sind.
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Wie in 1 gezeigt kann das Abrollelement 6 vorzugsweise durch eine drehbar gelagerte Vollkugel 7 gebildet sein. Beispielsweise kann das Abstandselement 5 durch eine Kugeldruckschraube mit voller Kugel gebildet sein. Das Abrollelement 6 kann an dem Abstandselement 5 federvorgespannt gelagert sein. Es ist aber auch eine starre Lagerung an dem Abstandselement 5 denkbar.
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Zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit ist es von Vorteil, wenn das Abrollelement 6 aus einer Siliziumnitrid-Keramik hergestellt ist. Denkbar sind aber auch Abrollelemente 6 aus einem anderen keramischen Material oder aus einem nichtmagnetischem Edelstahl.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Abstandselement 5 an seinem stiftförmigen, das Abrollelement 6 lagernden Hauptteil ein Außengewinde 8 auf, das in am Träger 2 ausgebildete Innengewinde 9 eingreift. Auf das Außengewinde 8 ist eine Kontermutter 10 aufgeschraubt zur Verkonterung des jeweiligen Abstandselements 5 gegen den Träger 2. Durch Einschrauben des Abstandselements 5 in den Träger 2 kann ein durch die Abstandselemente 5 definierter Mindestabstand Smin gegenüber der Oberfläche 13 eingestellt werden. Die Abrollelemente 6 der Abstandselemente 5 stehen bevorzugt bezogen auf die durch die Leiterschleife 4 definierte Induktionsfläche F um einen Abstand Smin von 0,5 mm bis 5 mm über die Leiterschleife 4 hinaus vor.
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Die Verkonterung dient der Sicherung des eingestellten Abstandes gegenüber ungewollten Verstellungen. Bevorzugt wird das Abstandselement 5 in ein Durchgangsloch des Trägers 2 eingebracht und auf einer der zu härtenden Oberfläche 13 abgewandten zweiten Seite des Trägers 2 verkontert. Hierdurch ist die Verkonterung deutlich geringeren Temperaturschwankungen ausgesetzt, was einem ungewollten Lösen der Verkonterung vorbeugt. Grundsätzlich ist aber auch das Einsetzen in ein Sackloch und/oder eine werkstückseitige Verkonterung denkbar.
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Der Träger 2 enthält vorzugsweise ein Weicheisen-Kunststoff-Compound als Flusskonzentrationsmaterial zur Konzentration des Magnetfeldflusses auf die zu härtende Oberfläche 13.
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Die Leiterschleife 4 ist bevorzugt in eine innerhalb des Trägers 2 gebildete Nut 11 eingesetzt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Nut 11 L-förmig und abschnittsweise (vgl. 2) U-förmig ausgebildet. Wie in 1 und 2 gezeigt, verläuft die Leiterschleife 4 vorzugsweise in einem äußeren Umfangsbereich des Trägers 2, während die Abstandselemente 5 in einem zentralen Bereich des Trägers 2 eingesetzt sind. Die Leiterschleife 4 kann beispielsweise aus einem gefalteten Hohlleiter gebildet sein, der über Anschlüsse 12 mit einem hochfrequenten Wechselstrom versorgbar ist.
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Gemäß einem zweiten nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das Abrollelement 6 scheibenförmig ausgebildet und an dem Abstandselement 5 in der Vorschubrichtung V des Induktors 1 drehbar gelagert ist.
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Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Induktor
- 2
- Träger
- 3
- erste Seite
- 4
- Leiterschleife
- 5
- Abstandselement
- 6
- Abrollelement
- 7
- Vollkugel
- 8
- Außengewinde
- 9
- Innengewinde
- 10
- Kontermutter
- 11
- Nut
- 12
- Anschluss
- 13
- zu härtende Oberfläche
- F
- Induktionsfläche
- V
- Vorschubrichtung
- S0
- Sollabstand
- Smin
- minimaler Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013101057 A1 [0003]
