DE102022126795A1 - Induction coil and method for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Induktionsspule (1), die für einen Kühlwasserdurchfluß rohrförmig ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.Die Lebenszeit einer Induktionsspule (1) wird erfindungsgemäß dadurch verlängert, daß der Rohrquerschnitt (2) an den Stellen der stärksten Wärmeentwicklung (3) mindestens eine in Fließrichtung des Kühlwassers (4) verlaufende Kühlfahne (5) aufweist, die in den Rohrquerschnitt (2) hineinragt.The invention relates to an induction coil (1) which is tubular for a cooling water flow, and to a method for its production. The service life of an induction coil (1) is extended according to the invention in that the pipe cross-section (2) has at least one cooling vane (5) running in the flow direction of the cooling water (4) at the points of greatest heat development (3), which extends into the pipe cross-section (2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Induktionsspule, die für einen Kühlwasserdurchfluß rohrförmig ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to an induction coil which is tubular for a cooling water flow, and a method for its production.
Induktionsspulen induzieren in einem Werkstück Wirbelströme hoher Frequenz, wodurch sich das Werkstück an der Oberfläche erwärmt. Dies wird in der Regel dazu angewendet, die Randzonen eines Werkstücks zu härten, um eine verschleißfeste Oberfläche zu erhalten, beispielsweise bei Wellen, Bolzen, Zahnrädern, Kolben usw. Dazu wird das Werkstück mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch die Induktionsspule geführt, in der Randschicht auf die Härtetemperatur erwärmt und danach mit einer Brause abgeschreckt. Die Induktionsspule kann einmal oder mehrmals um das Werkstück herumgeführt werden. Um die Hitzebelastung der in der Regel aus Kupfer bestehenden Induktionsspulen zu minimieren, weist diese in der Regel einen rohrförmigen Querschnitt auf und wird von Kühlwasser durchflossen. Kommt es dabei zur Bildung einer Dampfhaut, wird an dieser Stelle nicht mehr ausreichend gekühlt, was zu einer Zerstörung des Kupfers führt. Danach muß die Induktionsspule ausgewechselt werden.Induction coils induce high frequency eddy currents in a workpiece, causing the workpiece to heat up on the surface. This is usually used to harden the edge zones of a workpiece in order to obtain a wear-resistant surface, for example on shafts, bolts, gears, pistons, etc. To do this, the workpiece is guided through the induction coil at a constant speed, heated to the hardening temperature in the edge layer and then quenched with a shower. The induction coil can be guided around the workpiece once or several times. In order to minimize the heat load on the induction coils, which are usually made of copper, they usually have a tubular cross-section and have cooling water flowing through them. If a vapor film forms, there is no longer sufficient cooling at this point, which leads to the copper being destroyed. The induction coil must then be replaced.
Aus der Firmenpräsentation der Firma eldec (https://www.eldec.net/company/press/detailview/additive-manufacturing-precision-induction-heating.html) ist eine Induktionsspule bekannt, die für einen Kühlwasserdurchfluß rohrförmig ausgebildet ist. Der Rohrquerschnitt ist dabei zur Erzielung eines gleichmäßigen Wasserdurchflusses in drei nebeneinanderliegende Kanäle unterteilt. Dadurch wird der Wasserdurchfluß zwar gleichmäßiger, jedoch aufgrund der engen Querschnitte auch vermindert, da sowohl der Gesamtquerschnitt herabgesetzt als auch die Strömungsreibung des Wassers in den Kanälen des Rohrs erheblich verstärkt wird. Aufgrund der dadurch herabgesetzten Durchflußgeschwindigkeit ist die Kühlung vermindert und die Gefahr des Entstehens von Dampfhäuten in den Kanälen erheblich erhöht.From the company presentation of eldec (https://www.eldec.net/company/press/detailview/additive-manufacturing-precision-induction-heating.html) an induction coil is known that is designed in a tube shape for cooling water flow. The tube cross-section is divided into three adjacent channels to achieve a uniform water flow. This makes the water flow more uniform, but also reduces it due to the narrow cross-sections, as both the overall cross-section is reduced and the flow friction of the water in the channels of the tube is significantly increased. Due to the resulting reduced flow rate, cooling is reduced and the risk of steam films forming in the channels is significantly increased.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Dampfhautbildungen zu unterbinden und dadurch eine gute Kühlung und eine lange Lebenszeit der Induktionsspulen zu erreichen. The invention is therefore based on the object of preventing the formation of steam films and thereby achieving good cooling and a long service life of the induction coils.
Bei einer Induktionsspule der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rohrquerschnitt an den Stellen der stärksten Wärmeentwicklung mindestens eine in Fließrichtung des Kühlwassers verlaufende Kühlfahne aufweist, die in den Rohrquerschnitt hineinragt.In an induction coil of the type mentioned at the beginning, the task is solved in that the pipe cross-section has at least one cooling vane running in the flow direction of the cooling water, which projects into the pipe cross-section, at the points of greatest heat development.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung dieser Spule dadurch gelöst, daß die an die zur bearbeitenden Werktücke angepaßte Induktionsspule zunächst ohne Kühlfahne hergestellt und betrieben wird, daß danach festgestellt wird, an welchen Stellen größter Wärmeentwicklung des Rohrquerschnitts durch Dampfhautbildung Schäden entstanden sind und daß die Induktionsspule danach mit mindestens einer Kühlfahne an der oder den Stellen der größten Wärmeentwicklung hergestellt wird.The object is also achieved by a method for producing this coil in that the induction coil adapted to the workpieces to be processed is initially manufactured and operated without a cooling vane, that it is then determined at which points of the pipe cross-section where the greatest heat development has occurred and where damage has occurred due to the formation of a steam film, and that the induction coil is then manufactured with at least one cooling vane at the point or points where the greatest heat development occurs.
Die Kühlfahne wird an den Stellen, an denen es zur größten Erhitzung des Rohres kommt, vom Kühlwasser umflossen, so daß die Wärme, die zur Dampfhautbildung führen könnte, abgeführt wird. Dadurch, daß aber die Anordnung der Kühlfahne auf die Stellen der stärksten Wärmeentwicklung beschränkt wird, wird auch die Querschnittsverminderung und vor allem die Strömungsreibung minimiert. Auf diese Weise wird einerseits durch großen Kühlwasserdurchfluß mit hoher Fließgeschwindigkeit eine gute Kühlung erzielt, andererseits aber eine Dampfhautbildung an den kritischen Stellen größter Wärmeentwicklung unterbunden, wodurch die Lebenszeit der Induktionsspule erheblich erhöht wird. Letzteres führt auch dazu, daß die Induktionshärteanlage viel seltener für einen Induktionsspulenwechsel außer Betrieb genommen werden muß.The cooling water flows around the cooling vane at the points where the pipe heats up the most, so that the heat that could lead to the formation of a vapor film is dissipated. However, because the arrangement of the cooling vane is limited to the points where the greatest heat is generated, the reduction in cross-section and, above all, the flow friction are minimized. In this way, good cooling is achieved on the one hand through a large flow of cooling water at a high flow rate, but on the other hand the formation of a vapor film at the critical points where the greatest heat is generated is prevented, which significantly increases the service life of the induction coil. The latter also means that the induction hardening system has to be taken out of operation much less often to change the induction coil.
Zweckmäßigerweise wird die mindestens eine Kühlfahne auf die Stellen der stärksten Wärmeentwicklung beschränkt, um den Kühlwasserdurchfluß so wenig wie möglich zu behindern.It is advisable to limit the at least one cooling vane to the points of greatest heat development in order to impede the cooling water flow as little as possible.
Die Induktionsspule und Kühlfahne sind vorzugsweise aus Kupfer und im 3D-Druckverfahren hergestellt. Das 3D-Druckverfahren ermöglicht es, die mindestens eine Kühlfahne an den gewünschten Stellen zu plazieren.The induction coil and cooling vane are preferably made of copper and manufactured using the 3D printing process. The 3D printing process makes it possible to place at least one cooling vane in the desired locations.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen
-
1 eine Induktionshärtevorrichtung des Standes der Technik zur Erläuterung ihrer Funktionsweise, -
2 eine Induktionsspule gemäß der Erfindung, -
3 eine Induktionsspule ohne Kühlfahne mit Dampfhautbildung.
-
1 a state-of-the-art induction hardening device to explain how it works, -
2 an induction coil according to the invention, -
3 an induction coil without cooling vane with steam skin formation.
Die Induktionsspule 1 ist eine Hochfrequenzspule, die das Werkstück 6 dadurch im Bereich seiner Oberfläche erhitzt, daß sie dort Wirbelströme hoher Frequenz induziert und bis zum Erreichen der Härtetemperatur erhitzt. Dabei wird das Werkstück 6 mit einem Vorschub 7 durch die Induktionsspule 1 hindurchgeführt und anschließend mit einer Wasserbrause 8 oder einem anderen Abschreckmittel abgeschreckt, um die Härtung durch Gefügeveränderung des Stahls zu erzielen.The induction coil 1 is a high frequency coil which heats the workpiece 6 in the area of its surface by generating eddy currents high frequency and heated until the hardening temperature is reached. The workpiece 6 is guided through the induction coil 1 with a feed 7 and then quenched with a water spray 8 or another quenching agent in order to achieve hardening by changing the structure of the steel.
Die Darstellung und Beschreibung ist selbstverständlich nur beispielhaft. Die Induktionsspule 1 kann auch mehrfach um das Werkstück 6 herumgeführt werden, um ein stärkeres Magnetfeld für die Erzeugung des induzierten Stroms zu erzielen. Der Rohrquerschnitt 2, 2' kann statt viereckig auch rund sein oder einen anderen Querschnitt aufweisen. Auch ist die Wärmebehandlung nicht auf Härten beschränkt. Beispielsweise könnte man damit auch ein Werkstück 6 zum Anlassen entsprechend weniger erhitzen, damit die Sprödigkeit eines gehärteten Werkstücks 6 wieder etwas vermindert wird.The illustration and description are of course only examples. The induction coil 1 can also be guided around the workpiece 6 several times in order to achieve a stronger magnetic field for generating the induced current. The pipe cross-section 2, 2' can be round or have a different cross-section instead of square. The heat treatment is also not limited to hardening. For example, it could also be used to heat a workpiece 6 less for tempering so that the brittleness of a hardened workpiece 6 is reduced somewhat.
Anhand der
Zunächst wird die Induktionsspule 1, angepaßt an die zu bearbeitenden Werkstücke 6, ohne Kühlfahne 5 gefertigt und damit ein Werkstück 6 auf die gewünschte Temperatur - wie oben beschrieben - erhitzt. Dabei bildet sich in den Bereichen der stärksten Wärmeentwicklung 3 eine Dampfhaut 9, was dann auch an Schädigungen der Kupferoberfläche erkennbar ist. Dadurch hat man eine Vorgabe, an welcher Stelle oder welchen Stellen Kühlfahnen 5 angeordnet werden müssen. Nach dieser Vorgabe werden dann die erfindungsgemäßen Induktionsspulen 1 hergestellt.First, the induction coil 1 is manufactured without cooling vanes 5, adapted to the workpieces 6 to be processed, and a workpiece 6 is heated to the desired temperature - as described above. In the process, a vapor skin 9 forms in the areas of the greatest heat development 3, which can then also be recognized by damage to the copper surface. This provides a specification as to where or where cooling vanes 5 must be arranged. The induction coils 1 according to the invention are then manufactured according to this specification.
Daß bei dieser Vorgehensweise die erste Induktionsspule 1 ohne Kühlfahne 5 verworfen werden muß, ist deshalb vertretbar, weil es sich bei den Induktionsspulen 1 um Verschleißteile handelt, von denen man aber durch die erfindungsgemäße Verbesserung viel weniger braucht und diese Einsparung erheblich ist.The fact that the first induction coil 1 without cooling vane 5 must be discarded in this procedure is justifiable because the induction coils 1 are wearing parts, but due to the improvement according to the invention, much less of them are needed and this saving is considerable.
Selbstverständlich ist aber auch bei
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- InduktionsspuleInduction coil
- 22
- RohrquerschnittPipe cross-section
- 2`2`
- Rohrquerschnitt des Standes der TechnikState-of-the-art pipe cross-section
- 33
- Bereich stärkster WärmeentwicklungArea of greatest heat development
- 44
- Pfeile: Kühlwasser für InduktionsspuleArrows: Cooling water for induction coil
- 55
- KühlfahneCooling flag
- 66
- Werkstückworkpiece
- 77
- Vorschub des WerkstücksFeed of the workpiece
- 88th
- WasserbrauseWater shower
- 99
- DampfhautSteam skin
- 1010
- InduktionshärteanlageInduction hardening system
Claims (5)
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