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Vorrichtung zum induktiven Härten von Zahnrädern nach dem Abwälzverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Härten von Zahnrädern,
wobei der mit Schleifkontakten versehene Induktor einen der Zahnteilung entsprechenden
Windungsabstand aufweist und im Eingriff mit der Verzahnung auf dieser abgewälzt
wird, und wobei Mittel vorgesehen sind, um unmittelbare Berührung der Induktorwindungen
mit den Zahnflanken zu vermeiden.
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Es ist bekannt, einen Induktor, beispielsweise einen Schleifeninduktor,
absatzweise nach und nach in jede Zahnlücke einzuführen, den Induktorspeisestrom
einzuschalten, darauf den Strom wieder abzuschalten, den Induktor aus der Zahnlücke
herauszuziehen und das Zahnrad dann um eine Zahnteilung weiterzubewegen. Dieser
absatzweise Betrieb, bei dem das Zahnrad schrittweise kleine, der Zahnteilung entsprechende
Winkelbewegungen vollführen muß, bis es einmal vollständig um sich selbst gedreht
ist, ist außerordentlich aufwendig und zeitraubend, weil eine Reihe von mechanischen
Bewegungen sowohl des Induktors als auch des Tragorgans für das Zahnrad aufeinander
abgestimmt durchgeführt werden müssen, um die im wesentlichen geradlinige Induktorführung
und die Drehbewegung des Zahnradträgers sicherzustellen. Zeitraubend ist dieses
Arbeitsverfahren insoweit, weil Zahnräder mit großem Durchmesser und großer Zähnezahl
jeweils zumindest für Bruchteile einer Sekunde währnd des Aufheizungsvorganges stillstehen
müssen.
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Man hat deshalb nach anderen, weniger aufwendigen Arbeitsverfahren
und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gesucht. Zur Einsparung von Zeit
und aufwendiger Steuer- und Antriebsmittel für Zahnrad und Induktor ist es bekanntgeworden,
einen kreisringfönnigen Induktor-Konzentrator mit nach innen gerichteten Zähnen
zu verwenden, die in die Zahnlücke des Zahnrades eingreifen. Durch eine solche Vorrichtung
zur Durchführung des Arbeitsverfahrens läßt sich ein solches Zahnrad in einem Arbeitsgang
in relativ kurzer Zeit an den angegebenen Stellen härten, und besondere Antriebsmittel
für die Bewegung in Induktor und Zahnrad sind nicht erforderlich. Jedoch sind derartige
Induktoren lediglich für eine ganz bestimmte Zahnradgröße bzw. Zahnteilung verwendbar.
Beim Härten anderer Zahnräder kleineren oder größeren Durchmessers und/oder anderer
Zahnteilung sind andere entsprechend angepaßte Induktor-Konzentratoren notwendig.
Die Lagerhaltung der verschiedenartigsten Ringinduktoren, die überdies zur Kühlung
wasserdurchflutet sein müssen, ist aber verhältnismäßig unwirtschaftlich. Ferner
ist eine Einrichtung zum Härten der Flanken von Gewinde-, Schneckengängen od. dgl.
bekanntgeworden, bei der z. B. die zu härtende Gewindespindel in einem Ablöschbottich
bis zur Spindelmitte in der Ablöschflüssigkeit stets drehend geführt wird und oberhalb
der Ablöschflüssigkeit die Flanken des Spindelganges durch Stichflammen eines autogenen
Brenners erhitzt werden, der mit einem Paßstück in den Gang der Spindel eingreift.
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Daneben wurde bereits eine Einrichtung zum induktiven Härten von Zahnrädern
angegeben, bei der die einzelnen Zähne im Impulsbetrieb ohne die Mög-
lichkeit
einer Vorwärmung bzw. eines stetigen Durchlaufes gehärtet werden. So sind z. B.
zwei Schleifen verwendet worden, die in zwei nebeneinanderliegende Zahnlücken einzuführen
sind. Nach Einschalten des Generators wird der zwischen den beiden Schleifen befindliche
Zahn erwärmt. Eine andere Ausführungsform einer solchen Härteeinrichtung verwendet
einen Induktor von der Form eines Zahnrades, der mit dem zu härtenden Rad im Eingriff
steht. Hierbei bildet nur der gerade voll im Eingriff stehende Zahn des Induktors
einen Teil einer Stromschleife; nach Art von Kollektorlamellen sind die Induktorzähne
über Bürsten einzeln einschaltbar.
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Zum Härten von Zahnrädern ist auch schon eine Vorrichtung angegeben
worden, bei der das zu härtende Zahnrad mit einem in ebenen Schleifen gewickelten
Induktor von der Form einer Zahnstange im Eingriff steht, wobei die zueinander parallelen
Teile der Schleifen den gerade zwischen zwei Schleifen befindlichen Zahn aufheizen.
Die Bewegung des Zahnrades in Längsrichtung und dessen Drehung ist mit einer besonderen
Zahnstange in Verbindung mit einem Ritzel gelöst.
Schließlich ist
noch eine Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Zahnrädern bekanntgeworden, bei
der vier nebeneinanderliegende zueinander parallele und elektrisch in Serie geschaltete
Leiter mit dem zu härtenden Zahnrad in der Art eines Ritzels kämmen, wobei die beiden
einen Leiter gerade umfassenden Zähne erwärrnt werden.
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Die Erfindung beschäftigt sich ebenfalls mit der Aufgabe, die Zähne
von Zahnrädern auf Härtetemperatur zu bringen, wobei weder erhebliche Aufwendungen
bezüglich der Induktorlagerhaltung noch seines Bewegungsmechanismus notwendig sind.
Die Erfindung sieht zwar ebenfalls Einzelzahnhärtung vor, jedoch erfolgt diese im
kontinuierlichen Durchsatz, also ohne daß das Zahnrad periodisch stillgesetzt werden
muß.
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Die Erfindung besteht bei einer Vorrichtung zum Härten von Zahnrädern
unter Anwendung des induktiven Erhitzungsverfahrens darin, daß der Induktor als
Zylinderspule ausgeführt und um die Wicklungsachse der Spule drehbar gelagert ist,
wobei die Drehachse der Induktorspule etwa senkrecht zur Zahnradachse derart angeordnet
ist, daß die Induktorspule und das Zahnrad wie eine Förderschnecke mit dem Schneckenrad
im Eingriff stehen.
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In vorteilhafter Weise sind ausschließlich Antriebsmittel für den
Induktor vorgesehen, dessen in die Zahnlücken eingreifende Windungen das Zahnrad
um seine Achse mitbewegen, und es sind die den Zahnflanken zugewandten Windungsteile
der Induktorspule mit einem Kurzschlüsse der Spulenwindungen verhindernden Isolierbelag
versehen. Als Belag dient z. B. ein keramischer Werkstoff, der als Isolierstoffbiese
auf den in die Zahnlücken eingreifenden Windungsteilen der Spulen aufgetragen ist.
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Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die rotierende Induktorspule
mit mindestens drei Windungen auszuführen, von denen zwei in verschiedenen Ebenen
in Zahnlückenabstand voneinander angeordnet sind, während die dritte Windung konzentrisch
zu einer der beiden anderen Windungen - in der gleichen Ebene zu dieser
- angeordnet ist. Hierbei können die konzentrisch zueinander angeordneten
Windungen nach Art einer gebogenen Nadelschleife gewickelt sein, wobei der Zwischenraum
zwischen den beiden Windungen gegebenenfalls mit Hochfrequenzeisen, z. B. mit Ferrit,
ausgefüllt ist. Bei einer anderen ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform bestehen
die Induktorwindungen aus kreisförmigen Teilen, vorzugsweise von etwa Vierteilkreisbogenlänge,
die in der Kreisebene nach Art eines Malteserkreuzes um etwa 180' zueinander
versetzt sind, wobei ihre Windungsflächen einen der Zahnteilung angepaßten Winkel
miteinander bilden, so daß nach Durchlaufen des einen Windungsteiles durch eine
Zahnlücke der zweite Windungsteil die gleiche Zahnlücke durchläuft und nach Durchlaufen
des zweiten Windungsteiles das Zahnrad so weit weitergedreht ist, daß der erste
Windungsteil vor Eingriff mit der nächsten Zahnlücke steht.
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Wegen des dauernden Umlaufes der Induktorspule um ihre Achse müssen
die Speisespannungen bzw. der Speisestrom für die Spule jeweils den Enden des Induktorspulengebildes
über Schleifringe zugeführt werden. Da es bei hohen Leistungen notwendig ist, die
Spule mit Wasser zu kühlen und die übliche Innenkühlung beibehalten werden soll,
werden die Induktorwindungen, wie bekannt, aus Hohlmaterial hergestellt und von
feststehenden Lagerböcken aus mit Kühlwasser durchströmt.
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Die spezielle für die Zahnradhärtung notwendige Profilierung, die,
wie schon zum Ausdruck gebracht, der Zahnlückenforrn angepaßt sein sollte, kann
dadurch erreicht werden, daß entweder Hohlmaterial, z. B. aus Kupfer, der betreffenden
Profilierung für die Induktorwindungen vorgesehen wird oder in der Weise, daß Rohrmaterial
mit kreisförmigem oder rechteckigem oder elliptischem Querschnitt gewählt wird,
auf das ein Voll- oder Hohlprofil der gewünschten Formgebung mindestens an den ständig
in die Zahnlücken eingreifenden Stellen der Induktorwindungen, vorzugsweise hart,
aufgelötet ist.
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Die Spulenachse ist von einer Welle aus Isoliermaterial, z. B. keramischem
Material, durchsetzt. Auf die Welle sind - in entsprechendem Abstand voneinander
- Muffen aus elektrisch gut leitendem Material aufgebracht, z. B. aufgeschrumpft,
in denen die Enden der Spule befestigt sind und denen der Speisestrom, z. B. niederfrequenter,
mittelfrequenter oder hochfrequenter Wechselstrom über Schleifringe zugeführt wird.
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Die Trägerwelle für die Induktorspulenanordnung muß an ihren Enden
in feststehenden Lagerböcken drehbeweglich gehaltert werden, die feststehende Anschlußstutzen
für die Zuführung und Abführung des durch die Induktorrohre geleiteten Kühlwassers
tragen. Die Schleifkontakte für die Zuführung des Speisewechselstromes zu den Muffen
sind als Halbringe aus Vollmaterial, vorzugsweise Kupfer, ausgebildet und weisen
aufgelötete wasserdurchflossene Rohrstücke zur Kühlung der Schleifkontakte auf.
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Beider vorstehend angegebenen Art des induktiven Härtens erweist es
sich als besonders günstig, daß das Härten stetig vorgenommen wird und daß die angegebene
Einrichtung nicht auf Räder einer bestimmten Zähnezahl beschränkt ist, so daß das
Härten von Rädern verschiedener Zähnezahlen ohne ein Umrüsten der Anlage ausführbar
ist.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnung beschrieben.
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F i g. 1 veranschaulicht eine schematische Hauptansicht der
Vorrichtung nach der Erfindung und F i g. 2 eine perspektivische Darstellung
einer Induktorform samt seiner Trägerwelle-, F i g. 3 a und 3 b zeigen
ein Querschnittsbild der Induktorspulenteile im Eingriff mit den jeweiligen Zahnlücken;
in F i g. 4 ist eine weitere Induktorform veranschaulicht; in Fig.
5 ist ein Querschnitt durch einen der Lagerböcke für die Induktorwelle dargestellt,
während F i g. 6 einen Querschnitt nach der Linie A-B der F i g. 5
veranschaulicht.
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Nach der F i g. 1 ist die Welle 1 an ihren Enden in
den feststehenden Lagerböcken 2 und 3 drehbeweglieh gelagert. Auf die Isolierstoffwelle,
die z. B. aus Calit bestehen kann, sind Muffen 4 und 5 aufgeschrumpft, an
die Schleifkontakte 6 und 7 angelegt 3
sind, die den Strom von
einem nicht dargestellten Generator für hochfrequente, mittelfrequente oder niederfrequente
Schwingungen über die Muffen zu der Induktorspule 8 leiten. Die Stroinzuführungsschleifringe
6 und 7 sind durch aufgelötete Rohrstücke 17 bzw.
18, die wasserdurchflossen sind, kühl-
bar. Die Wicklungsenden der
Spule 8 sind in die Muffen eingelassen; sie dienen gleichzeitig als Stromzuführung
und
als Wasserführung für die aus Hohlmaterial bestehende Induktorspule 8. Das
Kühlwasser wird der Spule über den Stutzen 9 auf dem Lagerbock 2 zugeführt
und über den Auslaufstutzen 10
auf dem Lagerbock 3 abgeführt. Die Welle
1 ist in Richtung des Pfeiles 11 durch einen nicht näher veranschaulichten
Antrieb drehbewegbar. Bei Drehbewegung der Welle 1 wird auch die Spule
8 angetrieben; ihre Windungen greifen in ein um die Achse 12 drehbewegliches
Zahnrad 13 ein, dessen zu härtende Zähne mit 14 bezeichnet sind. Um eine
Berührung der Spulenwindungen mit den Zähnen 14 des Zahnrades und damit einen Kurzschluß
der Spulenwindungen zu verhindern, wird das Zahnrad 13 über seine Achse 12
derart synchron mit dem Antrieb für die Welle 1 gedreht, daß die Spulenwindungen
zwar in die Zahnlücken 15 des Zahnrades 13 ständig eingreifen, aber
die Zahnflanken nicht berühren können. Bei der durch den Pfeil 11 angegebenen
Pfeilrichtung wird das Zahnrad in Richtung des Pfeiles 16 gegen den Uhrzeigersinn
bewegt. Die Zahnflanken und der Zahngrund befinden sich dann im magnetischen Feld
der Induktorwindungen. Es genügt, wenn zwei Induktorwindungen im Eingriff mit aufeinanderfolgenden
Zahnlücken stehen. Man kann den Induktor jedoch im Bedarfsfall mit mehreren Windungen
ausstatten. Werden, wie veranschaulicht, zwei Windungen in Eingriff mit den entsprechenden
Zahnlücken 15
des Zahnrades 13 gebracht, so sollte eine der Induktorwindungen
zur Vorwärmung und die zweite zur Hauptwärmung benutzt werden, und zwar die in Laufrichtung
des Zahnrades vorn liegende Windung als Vorwärmwindung und die dahinterliegende
als Hauptwärmwindung. Um einen gleichmäßigen Härteverlauf sowohl an den Flanken
als auch dem Grund der Zähne 15 zu erreichen, sollten die Windungen der Induktorspule
8 ein der Zahnflanke jeweils angepaßtes Profil haben. Die Hauptwärmwindung
kann jedoch vorteilhaft aus zwei konzentrisch ineinandergewickelten Windungen bestehen,
zwischen denen Hochfrequenzeisen oder Ferrit zur Konzentration des Feldes eingelagert
sein kann.
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Die Spule 8 besteht aus der Vorwärmwindung 19
und den
Hauptwärmwindungen 20 und 21. Die Spulenwindungen 19 und 20 sind im gleichen
Wicklungssinn hintereinandergeschaltet. Der Windungsabstand zwischen den Windungen
19 und 20/21 ist gleich der Zahnteilung gewählt, derart also, daß die Windung
19 und die Windungen 20 und 21 jeweils in aufeinanderfolgende Zahnlücken
15 des Zahnrades 13 (F i g. 1) eingreifen.
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Wie schon zum Ausdruck gebracht, sollten die Eingriffstellen der Windungen
19 bzw. 20/21 dem Profil der Zahnlücken 15 angepaßt sein, um eine
gleichmäßige Erwärmung von Zahnflanken und Zahngrund zu erreichen. Eine beispielsweise
Ausführungsform für die Windungsprofflierung ist in den F i g. 3 a und
3 b veranschaulicht, und zwar in der F i g. 3 a das Profilbild der
Windung 19 (F i g. 2) und in der F i g. 3 b das Profilbild
der Windungen 20/21. Die Windung 19 besteht aus den Teilen 19 a und
19 b.
Hiervon ist der Teil 19 a als wasserdurchflutetes
Vierkantrohr ausgebildet, auf den in Richtung zum Zahngrund trapezfönnig gestaltetes
Vollmaterial 19 b aufgelötet ist. Das Profilbild der Windungen 20 und 21
der Spule 8 ist in der F i g. 3 b veranschaulicht, wonach die Spule
21 aus Vierkanthohlmaterial besteht, während die Spulenwindung 20 aus einem trapezförmigen
Vollprofil mit einer kreisförmigen Bohrung 20a besteht, durch die ebenso wie durch
den Hohlraum der Spule 21 das Kühlwasser geleitet wird.
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Die F i g. 4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel
für die Gestaltung der Induktorspule in einer perspektivischen Ansicht. Der Induktor
8 ist nach Art eines Malteserkreuzes ausgebildet, wobei jede Spulenwindung
8a und 8b aus im wesentlichen zwei Halbwindungen besteht, die zueinander
um 180' in Bewegungsrichtung versetzt sind. Die Windungsflächen der beiden
Induktorteile bilden entsprechend derZahnteilung einenWinkelmiteinander, so daß
beide Windungsteile zwangläufig nacheinander in eine Zahnlücke des nicht dargestellten
Zahnrades (13, F i g. 1) eingreifen, wobei bei Drehung des Induktors
8 eine Fortschaltung des Zahnrades 13
(F i g. 1) um jeweils
einen Zahn erfolgt. Der Vorwärininduktor ist mit 8 a bezeichnet, der Hauptwärminduktor
mit 8 b. Die zwischen den Windungen eingeschlossene Bogenfläche des
Hauptwärminduktorteiles 8 b ist mit Hochfrequenzeisen, z. B. Ferrit,
ausgefüllt um eine Kraftlinienkonzentration und eine Streufeldverminderung dieses
Induktorteiles zu erreichen. Es genügt, wenn die Bogenlänge jedes Induktorteiles
8a und 8 b ein Viertel des Kreisumfanges umfaßt. Sobald die Vorwärmwindung
8a die jeweilige Zahnlücke durchlaufen hat, greift die Hauptwärmwicklung
8b
in die bereits vorgewärinte Zahnlücke ein, die den Zahn auf Härtetemperatur
bringt. Nach Durchlaufen des Induktorteiles 8b durch die Zahnlücke und vor
Eingreifen des Vorwärminduktorteiles 8a in die nächste Zahnlücke sollte das Abschrecken
der gerade behandelten Zahnlücke durchgeführt werden.
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Die Wasserführung vom Stutzen 9 (F i g. 1) über den
feststehenden Lagerbock 2, die Spule 8 zum Lagerbock 3 und zum Auslaufstutzen
10, erfordert Dichtungseinrichtungen, um das Kühlwasser von dem feststehenden
Lagerbock 2 auf die drehbeweglichen Bauelemente 4, 5 und 8 und von
da aus wieder auf den feststehenden Lagerbock 3 zu übertragen. Die Mittel
hierfür sind in vergrößertem Maßstab in den F i g. 5 und 6 veranschaulicht,
von denen die F i g. 6
ein Schnittbild nach der Linie A-B der F ig.
5 ist. Der Lagerbock 2 sowie der Lagerbock 3 mit den Wasserzu- und
Wasserablaufstutzen 9 und 10 sind gleichartig ausgebildet und setzen
sich aus folgenden Teilen zusammen: dem Stutzen 9 bzw. 10, dem Außenmantel
22, dem Druckkäfig 23, dem Konterring 24, dem Preßring 25, den Dichtungsringen
26,
dem Grundkörper 17 und dem Wasserführungsrohr 28. Mit Ausnahme
der Dichtungsringe 26, dem Außenmantel 22 und dem Wasseranschlußnippel
9,
welche feststehen, sind alle anderen Bauteile drehbeweglich befestigt.
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Die feststehenden Lagerböcke 2 und 3 sollten isoliert befestigt
sein und ein Teil der Wasserzuführung zu der Spule 8 sollte aus einem Stück
Isolierrohr bestehen, um einen Kurzschluß des Erregerstromes für die Induktorspule
zu verhindern.