DE102022200322A1

DE102022200322A1 - Induktionshärteanlage

Info

Publication number: DE102022200322A1
Application number: DE102022200322.5A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wagner; Fred Menig; Martina Sticht; Michael Wendel
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2023-07-13
Also published as: CN116437511A; US20230220506A1

Abstract

Offenbart wird eine Induktionshärteanlage (100) zum Induktionshärten eines Bauteils (2) mit einer Erwärmvorrichtung zum Erwärmen des Bauteils, wobei die Erwärmvorrichtung mindestens eine Induktorengruppe aufweist, die mindestens zwei Induktoren (8) umfasst, die jeweils dazu ausgelegt sind, einen zu härtenden Bereich an dem Bauteil (2) zu erhitzen, und einer Antriebseinheit, die dazu ausgelegt ist, das Bauteil (2) an den mindestens zwei Induktoren (8) entlang zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin jeder Induktorengruppe ein einziger Generator (12) zugeordnet ist, der dazu ausgelegt ist, alle Induktoren (8) der zugehörigen Induktorengruppe mit einem Strom gleicher Frequenz und Stärke zu bestromen, sowie Induktoren für eine derartige Induktionshärteanlage (100).

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionshärteanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie einen Induktor für eine derartige Anlage.
Bauteile wie bspw. Lagerringe, die besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, werden üblicherweise, neben ihrer Ausgestaltung mit einer speziellen Stahlzusammensetzung, die auf die entsprechende Anforderungen ausgelegt ist, zudem an ihrer Oberfläche oder auch vollständig gehärtet.
Um eine solche vergrößerte Härte zu erzielen, muss das Bauteil in dem zu härtenden Bereich über die sog. Austenitisierungsstarttemperatur (As-Temperatur) erwärmt werden, ab der eine Phasenumwandlung von Ferrit zu Austenit erfolgt. Je nach Stahlzusammensetzung, Gefügezustand und/oder Erwärmgeschwindigkeit kann diese Temperatur im Bereich zwischen 700°C und 1100°C liegen. Nach der Erwärmung wird das Bauteil bzw. der zu härtende Bereich möglichst schnell auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur (Ms-Temperatur) gebracht, ab der sich der gebildete Austenit in Martensit umwandelt. Diese Temperatur kann zwischen 500°C und 100°C liegen, und ist ebenfalls von der Stahlzusammensetzung, sowie den Austenitisierungsbedingungen und dem Gefügezustand abhängig.
Dabei können verschiedene Verfahren verwendet werden. Unter anderem werden dabei thermische Verfahren eingesetzt, bei denen über eine Wärmebehandlung die Gefügestruktur des Stahls verändert wird, sodass das Bauteil zumindest in Teilbereichen eine vergrößerte Härte aufweist. Eines dieser Härteverfahren ist das sogenannte induktive Härten, bei dem eine stromdurchflossene Spule in einen bestimmten Abstand (Kopplungsabstand) an das Bauteil gebracht wird, sodass in dem Bauteil ein Strom induziert wird, der zu einer Erwärmung des Bauteils führt. Dabei kann die Induktionsspule das Bauteil vollständig oder teilweise umgeben und/oder, insbesondere für großflächige Anwendungen, relativ zu dem Bauteil bewegt werden, sodass das gesamte Bauteil oder ein Teilbereich des Bauteils gehärtet wird.
Dieses sogenannte Vorschubhärten oder Pulshärten bei dem jeweils nur ein Teil des Bauteils von einem Induktor erwärmt wird, basiert auf einer sukzessiven Härtung einzelner Abschnitte des Bauteils, wobei der Induktor und das Bauteil relativ zueinander bewegt werden. Beim Vorschubhärten wird üblicherweise die erwärmte Stelle direkt nach Durchlauf des Induktors, mit einer dem Induktor nachlaufenden Abschreckbrause abgeschreckt, während beim Pulshärten die zu härtenden Stelle wiederholt an dem Induktor vorbeigeführt wird, und erst nach mehrmaligem wiederholten Erwärmen abgeschreckt wird.
Nachteilig bei den bekannten Härteverfahren ist jedoch, dass der Induktor an die Größe oder Form des Bauteils angepasst werden muss, um ein ausreichendes Härteergebnis zu erreichen. Bei sehr hohen Stückzahlen der Bauteile amortisieren sich diese Kosten für das Herstellen eines speziellen Induktors, bei größeren Bauteilen und für kleine Losgrößen sind die Werkzeugkosten jedoch zu hoch. Ein weiterer Nachteil bei den Vorschubhärteanlagen ist, dass in der Start- und Endzone des Induktors ein sogenannter Schlupf entsteht, ein Bereich mit einer weichen oder in der Härte reduzierten Zone, der nicht akzeptabel ist. Der Schlupf kann mit dem sogenannten Schlupfloshärten vermieden werden, welches sich jedoch bei kleinen Losgrößen nicht wirtschaftlich abbilden lässt.
Gerade der Wärmeeintrag und die Verteilung des Wärmeeintrags im Bauteil ist aber von enormer Wichtigkeit, um die gewünschten Bauteileigenschaften in den Behandlungszonen zu erreichen und die sich ergebenden Maß- und Formänderungen (Bauteilverzug) zu steuern. Bekannte Möglichkeiten zur Beeinflussung des Wärmeeintrags und der Temperaturverteilung im Falle des Beispiels einer induktiven Erwärmung sind eine geeignete Wahl der Prozessparameter bzw. des Prozessdesigns (elektrische Leistung, Heizzeit, Erwärmfrequenz, Kopplungsabstand Induktor - Bauteil, Induktormaterial, Induktordesign, gezielter Einsatz von Magnetfeldkonzentratoren, Bauteilwerkstoff, Vorzustand Bauteilwerkstoff, Relativgeschwindigkeit des Bauteils zum Induktor, etc.). Somit ist ein entscheidendes Element der Wärmebehandlungsanlage und des Erfolgs der Wärmebehandlung die Induktoren und der gesamte elektrische Schwingkreis inklusive Generatoren, Umrichter, Kondensatoren, Bauteil, etc.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Methode, den Wärmeeintrag bei relativ zu einem Bauteil bewegten Induktoren zu verbessern, ist das Vorsehen mehrerer Induktoren um das Bauteil herum. Dabei kann es aber dazu kommen, dass der Kopplungsabstand zwischen den Induktoren und dem Bauteil nicht hinreichend identisch eingestellt werden kann, was zu teilweise extremen freien Kräften zwischen Bauteil und Induktor führt, die im Extremfall sogar zu einer Bauteil-Induktor Berührung führen können.
Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Induktionshärteanlage bereitzustellen, bei der mehrere Induktoren einsetzbar sind, ohne dass es zu einem ungleichmäßigen Verhalten der Induktoren kommt.
Diese Aufgabe wird durch eine Induktionshärteanlage gemäß Patentanspruch 1, sowie Induktoren gemäß Patentansprüche 13 und 14 gelöst.
Im Folgenden wird eine Induktionshärteanlage zum Induktionshärten eines Bauteils vorgestellt, wobei die Induktionshärteanlage zumindest eine Erwärmvorrichtung zum Erwärmen des Bauteils umfasst, wobei die Erwärmvorrichtung mindestens eine Induktorengruppe aufweist, die mindestens zwei Induktoren umfasst, die dazu ausgelegt sind, einen zu härtenden Bereich an dem Bauteil zu erhitzen. Weiterhin umfasst die Induktionshärteanlage eine Antriebseinheit, die dazu ausgelegt ist, das Bauteil an den mindestens zwei Induktoren entlang zu bewegen.
Üblicherweise sind bei mehreren Induktoren für jeden Induktor separate Generatoren nötig, um den Energieeintrag für jeden Induktor separat zu steuern, und etwaige Rundlaufungenauigkeiten beim induktiven Härten und damit einen variierenden Kopplungsabstand zwischen Bauteil und Induktoren ausgleichen zu können. Darüber hinaus erlaubt, gemäß gängiger Lehre, nur die Verwendung separater Generatoren, eine Optimierung der Generatorleistung/-frequenz. Die separaten Generatoren werden üblicherweise von dem gleichen Stromnetz mit Energie versorgt, modulieren jedoch für jeden Induktor separat die jeweilige am Induktor benötigte bzw. anzulegende Stromfrequenz, Spannung und Stromstärke.
Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, einen jeder Induktorengruppe einen einziger Generator zuzuordnen, der dazu ausgelegt ist, alle Induktoren der zugehörigen Induktorengruppe mit einem Strom gleicher Frequenz, Spannung und Stärke zu versorgen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung eines einzigen Generators für die Bestromung aller Induktoren einer Induktorengruppe, besonders symmetrische Kraftverhältnisse zwischen Bauteil und Induktoren erreicht werden können. Grund dafür ist, dass unsymmetrische Koppelspalte bei einer Verschiebung des Bauteils aus der Anlagenmitte und dadurch auch die Gefahr von asymmetrischen Kräften und einem möglichen Induktor-Bauteil Kontakt vermieden werden können. Zudem kann dadurch es keine Beeinflussung von Magnetfeldern unterschiedlicher Frequenz untereinander mehr geben.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft die Induktoren einer Induktorengruppe symmetrisch um das Bauteil herum zu verteilen, insbesondere einander gegenüberliegend anzuordnen.
Weiterhin hat die Bestromung mehrere Induktoren einer Induktorengruppe mit Hilfe lediglich eines einzigen Generators den Vorteil, dass eine einfachere Prozesssteuerung / NC Programme und ein robusterer Prozess hinsichtlich möglicher Varianzen im Kopplungsabstand bzw. ein robusterer Prozess hinsichtlich möglicher Varianzen in geometrischen Unterschieden der einzelnen Induktoren möglich ist.
Ebenfalls wird durch die Verwendung lediglich eines einzigen Generators pro Induktorengruppe ein robusterer Prozess im Grenzbetrieb möglich. Insbesondere kann in Kombination mit symmetrisch bzw. gleichmäßig verteilten Induktoren einer Induktorengruppe dadurch sichergestellt werden, dass bei einem Ausfall oder einer Abregelung des Generators keine unsymmetrischen Kräfte auf das Bauteil wirken. Bei der Verwendung von mehreren Generatoren für die Induktoren einer Induktorengruppe, wie im Stand der Technik, würde ein Ausfall oder eine Abregelung eines einzelnen Generators der mehreren Generatoren zu einseitigen Kräften auf das Bauteil führen und im schlimmsten Fall bei einem einseitigen Abschalten eines Induktors einen Induktor-Bauteilkontakt riskieren.
Darüber hinaus wird auch die Antriebsvorrichtung, insbesondere ihre Antriebskomponenten in Form von Rollen bzw. Haltekomponenten in Form eines Futters, die das Bauteil relativ zu den Induktoren bewegt vor übermäßigem Verschleiß bewahrt, da keine unsymmetrischen Kräfte am Ausgleichs- / Rollen- Futter zu erwarten sind, welche eventuell nicht mehr regelbar wären.
Darüber hinaus ist die Härteanlage insgesamt kostengünstig, da durch den Einsatz kostengünstiger Induktoren (hinsichtlich ihrer Genauigkeit und speziell im unteren Leistungs- bzw. Durchmesserbereich) auch eine kostengünstige Anlage erreicht wird. Des Weiteren kann die Ausführungsqualität der Induktoren bei einem gemeinsamen Generator (z.B. bei einer Reihenschaltung der Induktoren) niedriger sein, da sich immer der gleiche Stromfluss einstellt. Selbst bei einer Parallelschaltung der Induktoren kann es nicht zur gegenseitigen Beeinflussung der Generatoren über das Bauteil kommen. Ein mögliches Aufschwingen eines weiteren Generators kann somit vermieden werden. Im Stand der Technik müssen die unterschiedlichen Generatoren mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Sind mehrere Induktorengruppen vorgesehen, sollten die ihnen zugeordneten Generatoren jedoch wiederum mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, um eine Beeinflussung zu vermeiden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Generator dazu ausgelegt, alle Induktoren der Erwärmvorrichtung parallel zu bestromen, so dass die Induktoren parallel geschaltet sind. Dadurch kann eine absolut zeitgleiche Bestromung der Induktoren erreicht und damit auch jeglicher etwaige Unterschied in der Magnetfeldfrequenz vermieden werden. Dabei kann der Generator einen Generatorausgang aufweisen, der mit allen Induktoren einer Induktorengruppe mittels Stromzufuhrleitungen verbunden ist, so dass die alle Induktoren der Induktorengruppe parallel bestromt sind
Alternativ kann der Generator auch dazu ausgelegt ist, alle Induktoren der Erwärmvorrichtung in Reihe zu bestromen, so dass die Induktoren in Reihe geschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass eine einseitige Veränderung des Schwingkreises bei Verschiebungen des Bauteils aus der Anlagenmitte nicht zu einer asymmetrische Kräfte- oder Leistungsverschiebung führt. Dabei kann der Generator einen Generatorausgang aufweisen, der mit einem ersten Induktor einer Induktorengruppe mittels einer Stromzufuhrleitung verbunden ist, und wobei der erste Induktor und die nachfolgenden Induktoren der Induktorengruppe dazu ausgelegt sind, ihre nachfolgenden Induktoren der Induktorengruppe mit Strom zu versorgen, so dass alle Induktoren der Induktorengruppe in Reihe bestromt sind.
Ein weiterer Vorteil der Reihenschaltung ist die Möglichkeit geometrisch unterschiedlich ausgestaltete Induktoren und/oder unterschiedlichen Koppelspalte zu verwenden, ohne dass sich die individuelle Stromaufnahme verändert. Dabei kann beispielsweise ein einseitig, größerer Koppelspalt die eingebrachte Energie sowie den Wirkbereich der Einbringung am Bauteilquerschnitt ändern. Der Vorteil besteht in der Einflussnahme auf den Wirkbereich und die Energieeinbringung, ohne die Notwendigkeit das Induktordesign zu ändern oder eine komplexere Prozessführung vorzusehen (wie etwa beidseitiger, gleichzeitiger Wechsel des Koppelspaltes). Als weitere, vorteilhafte und kosteneffiziente Variante können die Induktoren asymmetrische Geometrien aufweisen, so dass beispielsweise ein einfacher, gerader, auf vielen unterschiedliche Bauteilgeometrien anwendbarer Induktor und ein komplexerer, an die Geometrie des Bauteiles angepasster Induktor innerhalb der gleichen Induktorengruppe verwendet werden können.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Induktoren, insbesondere die Induktoren einer Induktorengruppe, vorzugsweise gleichmäßig, um den Umfang des Bauteils herum verteilt. Dadurch werden die auf das Bauteil wirkenden Kräfte vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang herum verteilt, so dass keine asymmetrische Kräfteeinleitung in das Bauteil erfolgt.
Alternativ oder zusätzlich können die die Induktoren einer oder mehrerer Induktorengruppe/n derart an dem Bauteilverteilt angeordnet sein, dass unterschiedliche axiale und oder radiale zu härtende Bereiche des Bauteils erwärmbar sind. Das bedeutet, dass beispielsweise die um das Bauteil herum angeordnete Induktoren zueinander axial und/oder radial versetzt sein können, so dass unterschiedliche umfängliche Bereiche erwärmt werden. Weiterhin müssen die Induktoren einer oder mehrerer Induktorengruppe/n auch nicht unbedingt in der gleichen Eben liegen, sondern können auch in der Höhe versetzt zueinander angeordnet sein, um unterschiedliche Bereiche an dem Bauteil zu erwärmen.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, bei einem Lagerring mit Bord, bei dem die Laufbahnen und der Bord gehärtet werden sollen, umfänglich um den Lagerring herum ein oder mehrere Induktoren zu verteilen, die die Laufbahn härten, während ein anderer Induktor oder eine andere Induktorengruppe dazu angeordnet ist, den Bord zu härten. Dazu können die beiden Gruppen von Induktoren zwar umfänglich um den Lagerring herum gleich verteilt angeordnet sein, aber axial und/oder radial hinsichtlich einer Drehachse des Bauteils zueinander versetzt ausgerichtet sein.
Dies ermöglicht insbesondere bei Bauteilen mit unterschiedlichen Dicken der zu härtenden Bereichen einen auf den jeweiligen zu härtenden Bereich optimierten Wärmeeintrag trotz Verwendung eines einzigen Generators für alle Induktoren. Gleichermaßen kann auch der Kopplungsabstand der Induktoren verschieden eingestellt sein.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine gerade Anzahl an Induktoren vorgesehen ist, die einander gegenüberliegend an dem Bauteil verteilt angeordnet sind. Dadurch können die Kräfte die auf das Bauteil wirken besonders gut kompensiert werden, da einander gegenüberliegende Bereiche mit der gleiche Kraft beaufschlagt werden.
Dabei ist insbesondere bevorzugt, dass, insbesondere im Fall einer parallelen Bestromung, einander gegenüberliegende Induktoren einer Induktorengruppe identisch ausgebildet sind. Dabei können aber die Induktoren trotzdem in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Induktor, vorzugsweise zumindest ein Paar einander gegenüberliegender Induktoren als gerade Induktor ausgebildet ist, oder zumindest ein Induktor, vorzugsweise zumindest ein Paar einander gegenüberliegender Induktoren als gekrümmte, insbesondere an die Geometrie des Bauteils angepasste Induktoren ausgebildet ist. Ein gerader Induktor beschreibt dabei, dass der Induktor der Krümmung des Bauteils in Umfangsrichtung nicht folgt und/ oder der Krümmungen des Bauteils in axialer Richtung nicht folgt und gerade ausgeführt ist.
Ein gekrümmter Induktor folgt dagegen der individuellen Krümmung des Bauteils oder einer eher universellen Krümmung, die für verschiedene individuelle Krümmungen von verschiedenen Bauteilen verwendbar ist. Somit müssen derartige Induktoren aber auf eine Krümmung des Bauteils selbst angepasst sein, sondern können universell für Bauteile mit verschiedener Krümmung, Umfang oder allgemein Gestaltung verwendet werden.
Weiterhin ist eine Induktionshärteanlage bevorzugt, bei der die Induktoren in ihrer Gesamtheit eine Gesamtüberdeckung des zu härtenden Bereichs bereitstellen, die weniger als ¼ des gesamten zu härtenden Bereichs des Bauteils überdeckt, vorzugsweise weniger als 1/10 des gesamten zu härtenden Bereichs des Bauteils überdeckt, noch bevorzugter weniger als 1/20 des gesamten zu härtenden Bereichs der Bauteils überdeckt.
Durch die kleine Überdeckung bzw. die in Umfangsrichtung kürzeren Induktoren kann ein definierter Kopplungspalt zwischen Bauteil und Induktor erreicht werden. Dieser Kopplungsspalt variiert auch in seiner umfänglichen Länge wenig, so dass keine asymmetrischen Koppelspalte bei Verschiebungen des Bauteiles aus der Anlagenmitte auftreten und dadurch die Gefahr von asymmetrischen Kräften und einem möglichem Induktor-Bauteil Kontakt verringert ist.
Des Weiteren kann der durch die geringe Überdeckung der Kopplungsspalt im kalten Zustand (Einstellvorgang) genauer definiert werden, was dazu führt, dass während des Erwärmprozesses keine asymmetrischen Kräfte auf das Bauteil wirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das Bauteil ein Bauteil mit geschlossenem Kurvenzug, insbesondere ein Element eines Gleit- oder Wälzlagers, ein Lagerring, ein Zahnrad, eine Walze, ein Zapfen, eine Buchse, ein Scheibe etc.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist mindestens ein Induktor mindestens einen stromdurchflossenen Leiter auf, der dazu ausgelegt ist, in einem Bauteil ein sich änderndes Magnetfeld zu induzieren, um das Bauteil zu erwärmen, wobei der Leiter einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt aufweist, die jeweils dem Bauteil zugewandt sind, wobei weiterhin eine den ersten und den zweiten Leiterabschnitt bestromende Stromzufuhr vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt parallel bestromt sind.
Alternativ ist mindestens ein Induktor derart ausgebildet, dass der Induktor mindestens einen stromdurchflossenen Leiter aufweist, der dazu ausgelegt ist, in einem Bauteil ein sich änderndes Magnetfeld zu induzieren, um das Bauteil zu erwärmen, wobei der Leiter einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt aufweist, die jeweils dem Bauteil zugewandt sind, wobei weiterhin eine den ersten und den zweiten Leiterabschnitt bestromende Stromzufuhr vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt in Reihe bestromt sind.
Eine derartige Ausgestaltung der Induktoren ist insbesondere für größerer Bauteile vorteilhaft. Eine Serienschaltung bietet den Vorteil eines konstanten elektrischen Stroms und einer gleichmäßigen Wärmeeinbringung, allerdings bei erhöhtem Spannungsbedarf für den Induktor. Die Parallelschaltung hingegen erhöht den Strombedarf bei einer geringeren Spannung. Durch eine derartige Auswahl kann auf die individuellen Generatoreigenschaften Imax, Vmax eingegangen werden und die Induktionshärteanlage dementsprechend optimiert werden, auch wenn nur ein einzelner Generator verwendet wird.
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen derartig ausgelegte Induktoren, die in sich parallel bzw. in Reihe bestrombar sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Induktionshärteanlage gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
2: eine schematische Darstellung einer Induktionshärteanlage gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
3: eine schematische Darstellung einer Induktionshärteanlage gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
4: eine schematische Darstellung einer Induktionshärteanlage gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
5: eine schematische Darstellung eines Induktors gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
6: eine schematische Darstellung eines Induktors gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 bis 4 zeigt schematisch jeweils ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer induktive Härteanlage 100, die als Pulshärteanlage oder auch als Vorschubhärteanlage ausgebildet ist. Dabei ist bei der dargestellten Induktionshärteanlage 100 ein Bauteil 2, bspw. ein hier dargestellter Lagerring, auf einem Werktisch 4, z. B. einem Rotationstisch, gelagert und kann mithilfe von Antriebsvorrichtungen 6-1, 6-2, 6-3 an Induktionsspulen 8-1, 8-2 vorbeigeführt werden.
Um das Bauteil 2 auf dem Werktisch 4 sicher zu befestigen bzw. zu bewegen, sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils drei Antriebsvorrichtung 6-1, 6-2, 6-3 vorgesehen. Die Antriebsvorrichtung 6-1, 6-2, 6-3 können jeweils in radialer Richtung verschiebbare Spannbacken/-rollen 10-1, 10-2, 10-3 aufweisen, die dazu ausgelegt sind, das Bauteil 2 zu halten und/oder gegebenenfalls auch in Rotation zu versetzen, falls es sich bei dem Werktisch nicht um einen Rotationstisch handelt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Härteanlage 100 sind jeweils zwei Induktoren 8-1 und 8-2 vorhanden, die einer Induktorengruppe zugeordnet sind und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Es ist selbstverständlich auch möglich mehr als zwei Induktoren und/oder mehr als ein Induktorengruppe zu verwenden. Insbesondere ist bevorzugt eine gerade Anzahl von Induktoren 8 pro Induktorengruppe zu verwenden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und/oder gleichmäßig um den Umfang des Bauteils 2 herum verteilt sind. Dadurch können die von den Induktoren 8 der entsprechenden Induktorengruppe in das Bauteil 2 eingebrachten Kräfte kompensiert werden, da gegenüberliegende Kräfte sich gegenseitig aufheben. Dabei ist insbesondere bevorzugt, wenn gegenüberliegende Induktoren 8 identisch ausgebildet sind.
Wie weiterhin 1 und 3 zu entnehmen, sind die Induktoren 8-1, 8-2 in radialer Richtung nicht identisch angeordnet, so dass ein Kopplungsabstand d2, d.h. der Abstand zwischen Induktor 8 und Bauteil 2, des Induktors 8-2 größer ist als der Kopplungsabstand dl des Induktors 8-1. Die Induktoren 8-1, 8-2 können zusätzlich oder alternativ auch in axialer Richtung (in die Zeichenebene hinein bzw. aus ihr hinaus) zueinander verschieden angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich zu unterschiedlichen Koppelspalte D1, D2 können die Induktoren 8-1, 8-2 auch geometrisch unterschiedlich ausgestaltet sein, wie in den 2 und 4 dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen sind die Induktoren 8-1 jeweils als gerade Induktoren, also Induktoren, die nicht der individuellen Krümmung des Bauteils 2 folgen, ausgebildet, während die Induktoren 8-2 als gekrümmte Induktoren ausgeführt sind, die an die Krümmung des Bauteils 2 angepasst sind.
Um die Induktoren 8 mit Strom einer bestimmten Frequenz, Spannung und Stärke zu versorgen, sind die Induktoren in Induktorengruppen angeordnet, denen jeweils weiterhin ein einziger Generator 12 zugeordnet ist, der alle Induktoren 8 der Induktorengruppe mit Wechselstrom gleicher Frequenz, Spannung und Stärke versorgt. In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 sind nur zwei Induktoren gezeigt, die einer Induktorengruppe zugeordnet sind und deshalb von einem einzigen Generator 12 mit Strom gleicher Frequenz, Spannung und Stärke versorgt werden.
Üblicherweise wären bei mehreren Induktoren 8 für jeden Induktor 8-1, 8-2 separate Generatoren nötig, um den Energieeintrag für jeden Induktor separat zu steuern. Darüber hinaus erlaubt, gemäß gängiger Lehre, nur die Verwendung separater Generatoren, eine Optimierung der Generatorleistung/-frequenz.
Ähnlich wie die die separaten Generatoren wird auch der einzelne Generator 12 von einem geeigneten Stromnetz mit Energie versorgt, und moduliert jedoch die für die Induktoren 8 der zugehörigen Induktorengruppe benötigte Stromfrequenz und Stromstärke für alle Induktoren auf die gleiche Weise.
Bei der Verwendung eines einzigen Generators 12 für die Bestromung aller Induktoren 8 einer Induktorengruppe, können besonders symmetrische Kraftverhältnisse zwischen Bauteil 2 und Induktoren 8 der Induktorengruppe erreicht werden. Wird zudem eine symmetrische Verteilung der Induktoren 8 der Induktorengruppe um das Bauteil 2 herum vorgesehen, können auch unsymmetrische Koppelabstände (wie in den 1 und 3 gezeigt) oder unterschiedlich ausgestaltete Induktoren (wie in den 2 und 4 gezeigt) nicht zu asymmetrischen Kräften und einem möglichen Induktor-Bauteil Kontakt führen. Zudem kann dadurch es keine Beeinflussung von Magnetfeldern unterschiedlicher Frequenz untereinander mehr geben.
Weiterhin hat die Bestromung mehrere Induktoren 8 mit Hilfe lediglich eines einzigen Generators 12 den Vorteil, dass eine einfachere Prozesssteuerung / NC Programme und ein robusterer Prozess hinsichtlich möglicher Varianzen im Kopplungsabstand bzw. ein robusterer Prozess hinsichtlich möglicher Varianzen in geometrischen Unterschieden der einzelnen Induktoren 8 möglich ist.
Ebenfalls wird durch die Verwendung lediglich eines einzigen Generators 12 ein robusterer Prozess im Grenzbetrieb möglich. Insbesondere kann dadurch sichergestellt werden, dass bei einem ein Ausfall oder eine Abregelung des Generators 12 alle Induktoren 8 stromlos, beziehungsweise abgeregelt sind, so dass keine weiteren Kräfte auf das Bauteil 2 wirken. Bei der Verwendung von mehreren Generatoren, wie im Stand der Technik, würde ein Ausfall oder eine Abregelung eines einzelnen Generators zu einseitigen Kräften auf das Bauteil 2 führen und es im schlimmsten Fall zu einem Induktor-Bauteil-Kontakt kommen.
Darüber hinaus wird auch die Antriebsvorrichtung 6, insbesondere ihre Antriebskomponenten in Form von Rollen bzw. Haltekomponenten 10 vor übermäßigem Verschleiß bewahrt, da keine unsymmetrischen Kräfte zu erwarten sind, welche eventuell nicht mehr ausgeglichen werden können.
Bei Verwendung eines einzigen Generators 12, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten die Induktoren 8 in den vom Generator 12 bereitgestellten Stromkreis einzubinden. Zum einen können, wie in 1 und 2 dargestellt, die Induktoren 8-1 und 8-2 parallel bestromt werden. Dazu ist der jeweilig Eingang 14-1, 14-2 von jedem Induktor 8-1, 8-2 über eine Stromzufuhrleitung 16-1, 16-2 mit dem Generator 12 verbunden. Weiterhin ist auch jeder Stromausgang 18-1, 18-2 der Induktoren 8-1, 8-2 über eine Stromabfuhrleitung 20-1, 20-2 mit dem Generator 12 verbunden. Die mehreren Stromzufuhrleitungen 16-1, 16-2 können dabei direkt mit einem Generatorausgang 22 verbunden sein, oder sich später von einer gemeinsamen Stromleitung abzweigen. Analog können auch die separaten Stromabfuhrleitungen 20-1, 20-2 mit einem Generatoreingang 24-1, 24-2 verbunden sein, oder sich stromauf des Generators 12 zu einer gemeinsamen Stromleitung vereinigen, die dann wiederum mit dem Generatoreingang 24 verbunden ist.
Alternativ kann, wie in den 3 und 4 dargestellt, auch eine Reihenschaltung der Induktoren 8-1, 8-2 verwirklicht sein. Dann wird lediglich ein Induktor, in dem dargestellten Fall der Induktor 8-1, mit Strom aus dem Generator 12 bestromt, wobei in diesem Fall die Stromzufuhrleitung 16-1 den Generatorausgang 22 mit dem Stromeingang 14-1 des Induktors 8-1 verbindet. Die mit dem Induktorausgang 18-1 verbundene Stromabfuhrleitung 20-1 des ersten Induktors 8-1 fungiert bei Reihenschaltung gleichzeitig als Stromzufuhrleitung 16-2 für den zweiten Induktor 8-2, und ist mit dem Stromeingang 14-2 des zweiten Induktors 8-2 verbunden. Der Stromausgang 18-2 des zweiten Induktors 8-2 ist dann wiederum über die Stromabfuhrleitung 20-2 mit dem Eingang 24 des Generators verbunden.
Auch wenn in den 1 bis 4 nur zwei Induktoren 8-1, 8-2 dargestellt sind, so kann das oben beschriebene Bestromungsprinzip auch für eine Vielzahl von Induktoren verwendet werden.
Das bedeutet gleichermaßen, dass es möglich ist Gruppen von Induktoren parallel zu bestromen und die Induktoren der jeweiligen Gruppen in Reihe zu bestromen, bzw. Gruppen von Induktoren in Reihe zu bestromen und die Induktoren der jeweiligen Gruppen parallel zu bestromen.
Weiterhin können bei großen Bauteilen 2 bzw. entsprechend großen Induktoren 8 die Induktoren 8 selbst ebenfalls parallel oder in Reihe bestromt werden. Die 5 und 6 zeigen entsprechend eine parallele Bestromung (5) sowie eine Reihenbestromung ( 6) eines Induktors 8. Die 5 und 6 zeigen schematisch die Anordnung eines großflächigen Induktors 8 an einem Bauteil 2.
Der Induktor 8 weist in den dargestellten Ausführungsbeispielen einen dem Bauteil 2 zugewandten stromdurchflossenen Leiter 26 auf, der einen ersten Leiterschnitt 26-1 und einen zweiten Leiterabschnitt 26-2 hat. Bei einer Parallelschaltung der Leiterabschnitte 26-1, 26- 2, wie in 5 dargestellt, werden beide Leiterabschnitte 26-1, 26-2 separat mit einer Stromzufuhrleitung 28 verbunden, die die Leiterabschnitte 26-1, 26-2 gleichzeitig mit Strom versorgt. Ebenfalls wird der Strom an beiden Leiterenden 30-1, 30-2 wieder abgeführt und über eine Stromabfuhrleitung 32 aus dem Induktor 8 geführt.
Bei einer Reihenschaltung (siehe 6) dagegen wird nur einer der Leiterabschnitte, in dem dargestellten Fall der Leiterabschnitt 26-1, mit der Stromzufuhr 28 gekoppelt, während der andere Leiterabschnitt 26-2 lediglich mit der Stromabfuhrleitung 32 gekoppelt ist. Die Leiterabschnitte 26-1, 26-2 werden untereinander über eine Verbindung 34 miteinander verbunden, die gleichzeitig als Stromabfuhr aus dem Leiterabschnitt 26-1 und Stromzufuhr für den Leiterabschnitt 26-2 dient.
Die Reihenschaltung bietet den Vorteil, dass Koppelspaltunterschiede durch fehlerhafte Ausführung der Induktoren oder schlechte Ausführungsqualität oder kosteneffiziente Ausführung der Induktoren, nicht zu ungleichen Strömen in den Leiterabschnitten 26-1 und 26-2 führen. Ungleichmäßige Ströme würden dabei zu ungleichmäßiger Energieübertragung und ungleichmäßigen Kräften führen, welche wiederum die Koppelspaltunterschiede negativ beeinflussen könnten.
Insgesamt ermöglicht die oben beschriebene Induktionshärteanlage einen stabilen und reproduzierbaren Induktionshärteprozess mit einfacher Regelung, das lediglich ein einzelner Generator angesteuert werden muss. Darüber hinaus kann durch die an allen Induktoren gleichermaßen anliegende Stromfrequenz und Stromstärke eine Reduktion des Verzugs am Bauteil ermöglicht werden, da Kräfte gleichmäßig in das Bauteil eingekoppelt werden und auch der Wärmeintrag vergleichmäßigt ist. Dies ermöglicht auch die Reduzierung der Bearbeitungszugaben und eine Vermeidung von Ausschuss durch Induktor-Bauteil-Kontakt oder Anschmelzungen aufgrund eines lokal zu hohen Wärmeeintrags. Zudem ermöglicht die neuartige Bestromung eine Vermeidung bzw. eine Verringerung des Induktorverschleißes.
Ein weiterer Vorteil eines einzigen Generators pro Induktorengruppe ist die Möglichkeit alle Induktoren der zugehörigen Induktorengruppe mit identischer Frequenz, Strom und Spannung zu versorgen und den Prozess so gleichmäßiger und stabiler betreiben zu können. Im Falle mehrerer Generatoren ist dies auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der Schwingkreise nicht möglich.
Bezugszeichenliste

100: Induktionshärteanlage
2: Bauteil
4: Werktisch
6: Antriebsvorrichtung
8: Induktionsspule
10: Spannbacke
12: Generator
14: Stromeingang Induktionsspule
16: Stromzuführleitung
18: Stromausgang Induktionsspule
20: Stromabführleitung
22: Generatorausgang
24: Generatoreingang
26: Induktionsspulenteil
28: Stromzufuhr
30: Leiterende
32: Stromabfuhr

Claims

Induktionshärteanlage (100) zum Induktionshärten eines Bauteils (2) mit einer Erwärmvorrichtung zum Erwärmen des Bauteils, wobei die Erwärmvorrichtung mindestens eine Induktorengruppe aufweist, die mindestens zwei Induktoren (8) umfasst, die jeweils dazu ausgelegt sind, einen zu härtenden Bereich an dem Bauteil (2) zu erhitzen, und einer Antriebseinheit, die dazu ausgelegt ist, das Bauteil (2) an den mindestens zwei Induktoren (8) entlang zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin jeder Induktorengruppe ein einziger Generator (12) zugeordnet ist, der dazu ausgelegt ist, alle Induktoren (8) der zugehörigen Induktorengruppe mit einem Strom gleicher Frequenz und Stärke zu bestromen.
Induktionshärteanlage (100) nach Anspruch 1, wobei der Generator (12) einen Generatorausgang (22) aufweist, der mit allen Induktoren (8) einer Induktorengruppe mittels Stromzufuhrleitungen (16-1; 16-2) verbunden ist, so dass die alle Induktoren (8) der Induktorengruppe parallel bestromt sind
Induktionshärteanlage (100) nach Anspruch 1, wobei der Generator (12) einen Generatorausgang (22) aufweist, der mit einem ersten Induktor (8-1) einer Induktorengruppe mittels einer Stromzufuhrleitung (16-1) verbunden ist, und wobei der erste Induktor (8-1) und die nachfolgenden Induktoren (8-2) der Induktorengruppe dazu ausgelegt sind, ihre nachfolgenden Induktoren (8-2) der Induktorengruppe mit Strom zu versorgen, so dass alle Induktoren (8) der Induktorengruppe in Reihe bestromt sind.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktoren (8) einer Induktorengruppe, vorzugsweise gleichmäßig, um den Umfang des Bauteils (2) herum verteilt sind.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktoren (8) einer Induktorengruppe derart an dem Bauteil (2) verteilt angeordnet sind, dass unterschiedliche axiale und/oder radiale zu härtende Bereiche des Bauteils (2) erwärmbar sind.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Induktoren (8) einer Induktorengruppe in Reihe bestromt sind und wobei mindestens ein Induktor (8-1) der in Reihe bestromten Induktorengruppe unterschiedlich zu einem anderen Induktor (8-2) der gleichen Induktorengruppe ausgestaltet ist.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei mindesten ein Induktor (8-1) der in Reihe bestromten Induktorengruppe einen ersten Koppelspalt (d1) aufweist, und ein zweiter Induktor (8-2) der gleichen Induktorengruppe einen zweiten Koppelspalt (d2) aufweist, wobei der erste Koppelspalt und der zweite Koppelspalt unterschiedlich sind.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Induktor (8), vorzugsweise zumindest ein Paar einander gegenüberliegender Induktoren (8), einer Induktorengruppe als gerader Induktor (8) ausgebildet ist, und/oder wobei zumindest ein Induktor (8), vorzugsweise zumindest ein Paar einander gegenüberliegender Induktoren (8), einer Induktorengruppe als gekrümmter Induktor (8) ausgebildet ist.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktoren (8) aller Induktorengruppe in ihrer Gesamtheit eine Gesamtüberdeckung des zu härtenden Bereichs bereitstellen, der weniger als ¼ des gesamten zu härtenden Bereichs des Bauteils (2) überdeckt, vorzugsweise weniger als 1/10 des gesamten zu härtenden Bereichs des Bauteils (2) überdeckt, noch bevorzugter weniger als 1/20 des gesamten zu härtenden Bereichs des Bauteils (2) überdeckt.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (2) ein Bauteil (2) mit geschlossenem Kurvenzug, insbesondere ein Element eines Gleit- oder Wälzlagers, ein Lagerring, ein Zahnrad, eine Walze, ein Zapfen, eine Buchse, eine Scheibe etc ist.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Induktor (8) der mindestens einen Induktorengruppe mindestens einen stromdurchflossenen Leiter (26) aufweist, der dazu ausgelegt ist, in einem Bauteil (2) ein sich änderndes Magnetfeld zu induzieren, um das Bauteil (2) zu erwärmen, wobei der Leiter (26) einen ersten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und einen zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) aufweist, die jeweils dem Bauteil (2) zugewandt sind, wobei weiterhin eine den ersten und den zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) bestromende Stromzufuhr (28) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und der zweite Leiterabschnitt (26-1; 26-2) parallel bestromt sind.
Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Induktor (8) der mindestens einen Induktorengruppe mindestens einen stromdurchflossenen Leiter (26) aufweist, der dazu ausgelegt ist, in einem Bauteil (2) ein sich änderndes Magnetfeld zu induzieren, um das Bauteil (2) zu erwärmen, wobei der Leiter (26) einen ersten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und einen zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) aufweist, die jeweils dem Bauteil (2) zugewandt sind, wobei weiterhin eine den ersten und den zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) bestromende Stromzufuhr (28) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und der zweite Leiterabschnitt (26-1; 26-2) in Reihe bestromt sind.
Induktor (8), insbesondere für eine Verwendung in einer Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Induktor (8) mindestens einen stromdurchflossenen Leiter (26) aufweist, der dazu ausgelegt ist, in einem Bauteil (2) ein sich änderndes Magnetfeld zu induzieren, um das Bauteil (2) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (26) einen ersten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und einen zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) aufweist, die jeweils dem Bauteil (2) zugewandt sind, wobei weiterhin eine den ersten und den zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) bestromende Stromzufuhr (28) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und der zweite Leiterabschnitt (26-1; 26-2) parallel bestromt sind.
Induktor (8), insbesondere für eine Verwendung in einer Induktionshärteanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Induktor (8) mindestens einen stromdurchflossenen Leiter (26) aufweist, der dazu ausgelegt ist, in einem Bauteil (2) ein sich änderndes Magnetfeld zu induzieren, um das Bauteil (2) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (26) einen ersten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und einen zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) aufweist, die jeweils dem Bauteil (2) zugewandt sind, wobei weiterhin eine den ersten und den zweiten Leiterabschnitt (26-1; 26-2) bestromende Stromzufuhr (28) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt (26-1; 26-2) und der zweite Leiterabschnitt (26-1; 26-2) in Reihe bestromt sind.