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Heizgerät zum Erwärmen der Oberfläche rotationssymmetrischer Werkstücke
Die Erfindung ist auf ein Heizgerät zum Erwärmen der Oberfläche rotationssymmetrischer
Werkstücke gerichtet, und zwar handelt es sich um Heizgeräte, mit denen die Werkstücke
im sogenannten Ganzflächenverfahren aufgeheizt werden. Dieses bekannte Verfahren
besteht darin, einen gestreckten einwindigen Leiter gegenüber der Oberfläche des
Werkstückes anzuordnen und das Werkstück selbst gegenüber diesem Leiter in Umlauf
zu versetzen. Im Bereich des Leiters entsteht eine linienförmige Erhitzungszone
an der Werkstückoberfläche, und infolge des Umlaufes bewegt sich diese Zone um die
Werkstückoberffäche herum. Dies wird so lange fortgesetzt, bis die gesamte Oberfläche
zu gleichförmigen Temperaturen gekommen ist, worauf alsdann; wenn es sich darum
handelt, das Werkstück an der Oberfläche zu härten, das Abschrecken erfolgt.
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Dieses Verfahren ist ohne Schwierigkeiten anwendbar, wenn ein zylindrischer
Körper vorliegt. Es ist dann lediglich erforderlich festzulegen, wie lange bei einer
bestimmten Umdrehungszahl und bestimmter elektrischer Beaufschlagung das Werkstück
umlaufen muß, um eine gleichförmige Temperatur an der Oberfläche zu gewährleisten.
Dies hängt damit zusammen, daß im Falle eines Zylinders eine gleiche spezifische
Leistung über der axialen Länge zugeführt werden kann, um die gleichförmige Temperatur
über den Umfang zu erzielen.
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Besteht dagegen die Aufgabe, einen rotationssymmetrischen Körper,
der kegelstumpfförmig ist oder dessen Mantellinie sich als eine Kurve darstellt,
gleichförmig zu erhitzen, so ergibt sich bei konstanter Leistung je Längeneinheit
des Leiters eine ungleichförmige Erwärmung des Werkstückes. Bei solchen Werkstücken
ist nämlich der Umfang an jeder Stelle der Achse unterschiedlich, wodurch sich bei
konstanter Leistung an Stellen großen Umfanges eine geringere Temperaturhöhe ergibt.
Die Erfinder haben ermittelt, daß verhältnismäßig verwickelte Zusammenhänge bestehen,
die sich einer Formgebung des Leiters des Heizgerätes nicht ohne weiteres erschließen.
Zweck der Erfindung ist es, ein Heizgerät zum Erwärmen der Oberfläche rotationssymmetrischer
Werkstücke anzugehen, die mit gleichförmiger spezifischer Leistung beaufschlagt
werden können und die dennoch unter Berücksichtigung der jeweiligen Werkstückform
eine gleichförmige Temperaturverteilung liefern. Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen,
daß das Heizgerät dem Werkstück einen stromführenden Teil zuordnet, welches die
Form einer Raumkurve aufweist. Der Verlauf dieser Raumkurve ist bestimmt a) durch
praktisch gleichbleibenden Abstand vom Werkstückmantel und b) dadurch, daß der Kosinus
des Winkels a, der von der Tangente an die Mantellinie und der Tangente an die Raumkurve
jeweils im Bezugspunkt gebildet wird, gleich dem Produkt aus dem Verhältnis des
kleinsten Halbmessers (ro) des Werkstückes zum Halbmesser (r) des Werkstückes an
dem betreffenden Bezugspunkt und dem Kosinus des Winkels a, ist, dessen Schenkel
von der Tangente an die Mantellinie und der Tangente an die Raumkurve jeweils an
der Stelle des kleinsten Werkstückhalbmessers gebildet werden.
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Es besteht mithin die Beziehung
Wenn der stromführende Teil des Heizgerätes unter Berücksichtigung dieser Beziehungen
geformt ist, lassen sich selbst komplizierte Werkstückformen einwandfrei erwärmen,
wobei der Induktor mit gleichförmiger spezifischer Leistung je Umfangslinie des
Werkstückes arbeitet, d. h. also einfache elektrische Verhältnisse, insbesondere
Schaltungen u. dgl., angewendet werden können. Sofern sich gewisse Unregelmäßigkeiten
beim Erhitzen einstellen, können diese in einfacher Weise dadurch ausgeglichen werden,
daß der Kopplungsabstand an der betreffenden Stelle vergrößert oder verkleinert
wird. Dies sollte aber in dem Rahmen eines an sich praktisch gleichbleibenden Abstandes
des Leiters vom Werkstückmantel geschehen. Die Kontur des Werkstückes ist somit
maßgebend für die Formgebung des stromführenden
Teiles, wobei aber
selbstverständlich die Verhältnisse bezüglich der Winkel an den einzelnen Kurven
eine Rolle spielen. Dies führt zu einer Formgebung, die einerseits der Oberfläche
des Werkstückes folgt und andererseits eine wohldefinierte Schräglage zur Achse
des umlaufenden Werkstückes einhält.
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Es kann hierbei geschehen, daß bei einem verhältnismäßig langen Werkstück
der stromführende Teil als eigenwillig geformte Schraubenlinie das Werkstück auf
seiner Länge einmal oder auch mehrmals umfassen würde. Um dies zu vermeiden, ist
es möglich, die Raumkurve an beliebiger Stelle mit einer knickförmigen Richtungsänderung
zu versehen. Der Richtungsverlauf des Leiters jenseits des Knikkes ist bestimmt
durch Antragen des Winkels a im jeweiligen Bezugspunkt als Reflexionswinkel an die
Mantellinie.
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Die Maßnahmen gemäß der Erfindung sind auf ein Heizgerät anwendbar,
bei welchem das dem Werkstück zugeordnete stromführende Teil das Wirkteil eines
Heizinduktors ist, d. h. also die induzierende Windung. Es ist aber auch möglich,
die Maßnahmen beim Erwärmen mit unmittelbarem Stromdurchgang anzuwenden. Bei einem
Heizgerät, das für diesen Zweck verwendet wird, besteht der dem Werkstück zugeordnete
stromführende Teil aus zwei Leiterabschnitten, die die Verbindung mit der Wechselstromquelle
herstellen und mit Kontakten an dem Werkstück anliegen.
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In den Zeichnungen sind jeweils in perspektivischer Darstellung verschiedene
Heizgeräte der Werkstücke dargestellt, für die sie gedacht sind, und zwar beziehen
sich A b b. 1 bis 4 auf Heizgeräte für das induktive Erhitzen, A b b. 5 für das
Erhitzen im unmittelbaren Stromdurchgang.
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A b b. 1 zeigt den einfachen Fall der Erhitzung eines Zylinders; A
b b. 2 zeigt den Fall eines aus zwei Zylindern unterschiedlicher Durchmesser zusammengesetzten
rotationssymmetrischen Körpers; A b b. 3 zeigt den Fall eines rotationssymmetrischen
Körpers, dessen Durchmesser sich auf der axialen Länge kontinuierlich ändert; A
b b. 4 zeigt den Fall eines Kegelstumpfes beträchtlicher Höhe, und A b b. 5 entspricht
A b b. 1.
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Wenn es gilt, einen Zylinder 1 an der Oberfläche gleichförmig
zu erwärmen, so geschieht dies in bekannter Weise durch das Ganzflächenerhitzungsverfahren,
welches darin besteht, den Zylinder 1 im Sinne des Pfeiles 2 gegenüber einem gestreckten
elektrischen Leiter 3, der in Ruhe bleibt, umlaufen zu lassen. Wird der gerade und
gestreckte Leiter 3 mit Wechselstrom beaufschlagt, so ergibt sich in der Oberfläche
des Werkstückes 1 eine der Form des Leiters 3 entsprechende Erhitzungszone, d. h.
also praktisch ein erhitzter Streifen. Dieser erhitzte Streifen wandert infolge
des Umlaufes des Zylinders 1 relativ um die Oberfläche. Der Umlauf des Werkstückes
1 wird so lange fortgesetzt, bis auf dem gesamten Umfang die erforderliche Temperatur
erreicht ist. Diese Temperatur ist infolge der einfachen geometrischen Verhältnisse
bei gleichförmiger spezifischer Leistung gleichförmig.
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Wollte man unter Anwendung dieser an sich bekannten Zusammenhänge
auch einen Körper erhitzen, wie er in A b b. 2 dargestellt ist, d. h. einen Körper,
der aus zwei zylindrischen Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser zusammengesetzt
ist, so ist dies mit einem Leiter, wie er in A b b. 1 dargestellt ist, nicht möglich.
Es wäre denkbar, zwei solcher Leiter zu verwenden und sie elektrisch unterschiedlich
zu beaufschlagen. Abgesehen davon, daß dann der aufragende Flankenteil des Zylinderabschnittes
mit dem größeren Durchmesser von der Erwärmung nicht erfaßt würde, ergäbe sich auch
eine komplizierte elektrische Schaltung bzw. die Notwendigkeit, unter Umständen
mit zwei Generatoren zu arbeiten.
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Gemäß der Erfindung kann ein einzelner Induktor vorgesehen werden,
der mit gleichförmiger spezifischer Leistung arbeitet, wenn er so gestaltet wird,
wie dies aus A b b. 2 ersichtlich. In seinen Abschnitten 4 und 6 hat der Leiter
praktisch den gleichen Abstand vom Mantel des Werkstückes 7, d. h. also eigentlich
von den Mänteln der Abschnitte 8 und 9. Für die weitere Ausgestaltung der Raumkurve,
nach der der Heizleiter geformt ist, besteht die eingangs bereits angegebene Beziehung
wobei r. der Halbmesser des Werkstücke bei 8 und r der Halbmesser des Werkstückes
bei 9 ist.
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Im Bereich des Zylinderabschnittes 8 mit dem kleinsten Durchmesser
ro ist c cl = 0. Infolgedessen ergibt sich ein gerade gestreckter Leiter
4. Der Winkel a wird von der Tangente an die Mantellinie des Werkstückes
und der Tangente an die Raumkurve jeweils im Bezugspunkt gebildet. Der eine Schenkel
dieses Winkels a gibt im jeweiligen Bezugspunkt die Richtung der Raumkurve, nach
der der Heizleiter zu gestalten ist. Auf Grund der mathematischen Beziehung ergibt
sich gegenüber dem Zyinderabschnitt 9 ein Leiterabschnitt 6, der in sich gekrümmt
ist und außerdem schräg zur Achse des Werkstückes 7 steht. Wenn diesem aus den Abschnitten
4 und 6 bestehenden Heizleiter eines Induktionsgerätes über die Anschlußstellen
11 und 12 ein Wechselstrom geeigneter Frequenz zugeführt wird, so ergibt sich beim
Umlauf des Werkstückes 7 im Sinne des Pfeiles 13 eine gleichförmige Erwärmung der
Oberfläche des Werkstückes auf der gesamten Länge, ohne daß hierzu besondere Vorkehrungen
zu treffen sind. Als geeignete Frequenz kommen 5 OHZ bis 2 MHZ in Frage. Wenn sich
gewisse Unregelmäßigkeiten bezüglich der Temperaturverteilung ergeben, so können
diese kompensiert werden, indem an den Stellen beträchtlicher Unregelmäßigkeiten
der Kopplungsabstand geringfügig vergrößert oder verkleinert wird, wobei allerdings
die Grundtendenz eines praktisch gleichbleibenden Abstandes des Heizleiters vom
Werkstückmantel nicht verlassen werden sollte. Im Bereich der Fläche 10 kann
der Heizleiterabschnitt 5 mit gleichem Abstand zur Oberfläche 10 geführt
sein wie die Heizleiterabschnitte 4 und 6 gegenüber 8 und 9. Soll eine wesentliche
Aufhetzung hier vermieden werden, so kann der Kopplungsabstand größer gewählt werden.
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Sinngemäß das gleiche, wie zu A b b. 2 ausgeführt, ergibt sich für
A b b. 3, wo es darum geht, ein Werkstück 8 zu erwärmen, das eine rotationssymmetrische
Form aufweist, welche einer Flasche oder Vase
ähnelt. Die Bezugsgrößen, die erforderlich sind, um den Verlauf
der Raumkurve des stromführenden Teiles 14 des Heizgerätes zu ermitteln, sind eingezeichnet,
nämlich der kleinste Durchmesser r,, und der Durchmesser r in der Bezugsebene 15
sowie der Winkel a1 im Bereich des geringsten Durchmessers und a im Bereich der
Bezugsebene. Durch Ermittlung der verschiedenen Winkel a für die verschiedenen Bezugsebenen
15 auf der axialen Länge des Werkstückes wird die Formgebung des Leiters
14
bestimmt. über die Anschlüsse 16 und 17 ist der stromführende Teil 14 des
Induktionsheizgerätes an den Generator angeschlossen.
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Für ein Werkstück beträchtlicher axialer Länge, wie dies in A b b.
4 für den kegelstumpfförmigen Körper 18 angenommen worden ist, kann es sich ergeben,
daß der stromführende Teil 19 schraubenlinienförmige Gestalt annimmt und
das Werkstück völlig umfaßt, wie dies bei 20 in gestrichelten Linien angedeutet
ist. Dies ist unpraktisch, weil sich Schwierigkeiten beim Einführen und Auswechseln
der zu behandelnden Werkstücke in die Heizeinrichtung ergeben. Um dies zu vermeiden,
kann die Raumkurve mit einem Knick versehen werden, wie dies bei 21 angedeutet ist.
Der Richtungsverlauf jenseits des Knickes 21 ist bestimmt durch den im jeweiligen
Bezugspunkt als Reflexionswinkel ß an die Mantellinie angeschlagenen Winkel. Dieser
Winkel ß ist dem Winkel* gleich. Es ergibt sich dadurch der weitere bei 22 angedeutete
Verlauf des Heizleiters. Der Induktionsleiter 19/22 ist über die Anschlußstücke
23 und 24 mit dem Generator verbunden.
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A b b. 5 zeigt den gleichen Fall wie A b b. 1, nur ist der stromführende
Teil nicht ein induzierender Heizleiter. Er besteht vielmehr aus zwei Abschnitten
25 und 26, die an ihren Enden je eine Kontaktfläche 27 und 28 aufweisen
und den Strom dem Werkstück l konduktiv zuführen. Die Abschnitte 25 und
26 sind über die Anschlußstücke 29 und 30 mit dem Wechselstromgenerator
verbunden. Da auf Grund des Nachbarschaftseffektes die im Werkstück fließenden Ströme
dem durch die Abschnitte 25 und 26 vorgeschriebenen Weg folgen, wird bei Ausbildung
dieser Abschnitte nach einer Raumkurve der gleiche Eeffekt bei konduktiver Erhitzung
erzielt, wie er in Verbindung mit A b b. 2 bis 4 für induktive Erhitzung beschrieben
ist.
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Die im Werkstück fließenden Stromfäden wählen den Weg geringsten Scheinwiderstandes
zwischen den beiden Kontaktflächen 27 und 28, und ihre genaue Richtung
wird durch den Verlauf der stromführenden Abschnitte 25 und 26 bestimmt. Um eine
gleichförmige Temperaturverteilung zu gewährleisten, werden die Abschnitte 25 und
26 dem Grundsatz nach genauso gestaltet wie die induzierenden Leiterabschnitte entsprechender
Induktionsgeräte. Infolge des Nachbarschaftseffektes wird sichergestellt, daß sich
die Ströme nicht im Werkstück verlieren.