DE1899486U

DE1899486U - Mit hochfrequentem wechselstrom betriebene vorrichtung zum induktiven erhitzen von umlaufenden, mit nuten oder hohlkehlen versehenen werkstuecken.

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Publication number: DE1899486U
Application number: DEJ12293U
Authority: DE
Original assignee: International Harverster Corp
Current assignee: Navistar Inc
Priority date: 1962-12-26
Filing date: 1963-12-23
Publication date: 1964-08-27
Also published as: US3188440A; GB1058940A

Description

U58839*27.6.64

Dipl.-Ing. H. Zoepke

^{PDfeniiinWCllt} Neue Tel. Nr,_{8Münehen5f 2?}. _{Juni 19β4}

, 240675 Erhardtstraße Π

I 12 293/2lh Gbm Telefon 225768 Eef. 793

International Harvester Goinpany

Hoohfrequenzanlage zur Induktionshärtung von Werkstücken

Die !Teuerung bezieht sich auf eine mit hochfrequentem Wechselstrom betriebene Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von umlaufenden, mit Nuten oder Hohlkehlen versehenen Werkstücken, insbesondere Kurbelwellen, bestehend aus im gegenseitigen Abstand angeordneten, das zu erhitzende Werkstück gabelartig umgreifenden Seitentragplatten, die auf der· Werkstückoberfläche abzustützende Abstands- bzw. Führungselemente besitzen und einen mit einer Hochfrequenz-Stromquelle in Verbindung stehenden Induktor umgeben, dessen über Querleiter miteinander verbundenen, parallel zueinander angeordneten Halbzylinder-Seitenleiter zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit hohl ausgebildet sowie mit jeweils paarweise zueinander, auf je einem Seitenleiter angeordneten Blechlamellenpaketen versehen sind.

Bei Kurbelwellen geht es hauptsächlich darum, deren Haupt- und Pleuellager, Wangen und Hohlkehlen (Radienzonen) zu härten. Vorrichtungen dieser Art für ähnliche Verwendungszwecke sind bekannt. Bei den ständig ansteigenden Motorleistungen ist die Kurbelwelle in erhöhtem Maße einem Versagen infolge Werkstoffehlern ausgesetzt, die unter anderem durch hohe Biegebeanspruchungen in Verbindung mit Kerbspannungen an Querschnittsübergängen ausgelöst werden können. Wie die Praxis gezeigt hat, genügt es im allgemeinen nicht, wenn nur die Stellen möglicher Spannungshäufungen, sondern auch die benachbarten, sich radial erstreckenden Teile der Kurbelwelle, z. B. Wangen, gehärtet werden.

Es sind bereits mit hochfrequentem Wechselstrom betriebene Vorrichtungen zum Erhitzen von umlaufenden, mit Hüten oder Hohlkehlen versehenen Werkstücken bekannt, die das zu erhitzende Werkstück gabelartig umgreifen. Auch sind '. Glühspulen bekannt, die zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit hohl ausgebildet sind. Ferner ist es bekannt, auf je einem Seitenleiter des Induktors paarweise zueinander angeordnete Blechlamellen vorzusehen.

Demgegenüber besteht die !Teuerung darin, daß die gn den Seitenleitern jeweils paarweise angeordneten Lamellenpakete in an sich bekannter Weise auf jedem Seitenleiter wechselweise aus U-förmigen und L-förmigen Blechlamellen bestehen. Die Induktoreinrichtung selbst ist über ein mit Tragstangen verbundenes Parallelograimngestange an einem parallel zum zu erhitzenden Werkstück verfahrbaren Gestell aufgehängt.

Die na.cn der !Teuerung ausgebildete induktive Härte vorrichtung (Haubenofen) ist den speziellen Formerfordernissen der Kurbelwelle angepaßt, d. h. die kritischen Flächen lassen sich optimal härten« Dabei ist zu beachten, daß nicht alle Radienübergänge gehärtet xverden dürfen, weil dann Bruchstellen der Kurbelwelle deren Brauchbarkeit begrenzen wurden. Aus diesem Grund hatte man sich in der industriellen Praxis bisher darauf beschränken müssen, nur einige der vorhandenen Radienübergänge durchzuhärten. Erst die Vorrichtung nach der feuerung macht es möglich,, alle kritischen Stellen in einer Weise zu härten, welche die Gefahr von Zerstörungen der Welle zumindest weitgehend herabsetzt.

Es war weiter die Aufgabe gestellt, einen verbesserten Einschleif en-Induktionsof en geringer Abmessungen zu schaffen, damit auch kleine Flächenteile der Kurbelwelle gezielt aufzuheizen sind, Die Blechlamellen des Induktors sind so angeordnet, daß die Hitze möglichst wirksam an die zu härtenden Stellen herankommt, ohne daß bei nachfolgender Abschreckung unzulässige

Oberflächenspannungen auftreten, wodurch sich die Gefahr einer Mißbildung erhöhen würde*. Sodann sollten z. B. die Radial erstreckungen (Kurbelwangen), bevorzugt thermisch beaufschlagt ■ werden könnenj oder es sollte gewährleistet sein, daß die den Hadienübergängen unmittelbar benachbarten Flächenteile tiefer durchgehärtet werden konnten. Als weitere Kombination gestattet es die besondere Ausbildung der Blechlamellen, die Hadienübergänge nit abgestuften Mengen thermischer Energie gleichzeitig zu beschicken. Als erwünschte Nebenwirkung bei den Leit- und Abstandselementen ist zu beobachten, daß thermisch überbeanspruchte Seile, wie z. B. die Abstands- und Mihrungsstifte, gegen eine zu hohe thermische Belastung und damit gegen vorzeitigen Terschleiß geschützt werden.

Die bevorzugte Ausführungsform des Induktors besteht aus einem Einschleifen- oder Einspulentyp mit einem Paar von im wesentlichen parallel zu erstreckenden seitlichen Leiterteilen, die an einem Ende mit einem Querleiter, am anderen Ende mit einem Paar verhältnismäßig kurzer Querleiter verbunden sind, die über rohrförmige Kupferleiter mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung stehen. Es sind übrigens alle Leiter rohrförmig ausgebildet, so daß sie wie üblich durch Wasser gekühlt werden können. Die Seitenleiter sind kreisbogenförmig gestaltet, wodurch sie sich den Lageroberflächen der zu härtenden Kurbelwelle anpassen. Der Induktionsofen, von dem der vorliegende Induktor ein Bestandteil ist, enthält ebenfalls entsprechend geformte Platten, ferner Mihrungseinrichtungen zur Zentrierung auf der Kurbelwellenoberiiläclie. Der Induktorsatz enthält weiter Zentrierstifte, die sich von den erwähnten Hatten nach abwärts und -seitwärts erstrecken, zwischen dem Seiten- und Endleiter hindurchgehen, und die schließ lieh außerhalb mittels eines Führungselementes, das zugleich den vertikalen Abstand zwischen der Kurbelwelle und dem Induktor herstellt, die Lagerflächen umfaßt.

Zwei Pakete von U-förmigen lamellen befinden sich auf den Seitenleitern, ein Paket L-förmiger Lamellen ist zwischen den U-förinigen Lamellen auf den Seitenleitern angeordnet. Die sich q_uer erstreckenden Leiter sollen in den Lageroberflächen der· Kurbelwelle Hitze induzieren, während die Seitenleiter die Radienübergänge und Wangen der Kurbelwelle induktiv aufheizen. Die U-förmigen Lamellenpakete sind derart auf den Seitenleitern angeordnet, daß das Magnetfeld in die Wangen der Kurbelwelle verhältnismäßig tief eindringt, während die übrigen Teile weniger intensiv beaufschlagt werden. Andererseits sind die L-förmigen Lamellen an den Seitenleitern angeordnet, um eine größere Eindringtiefe bei den Radienübergängen zu erzielen, besonders bei den Kurbelwangen* Die Blechlamellen bestehen im allgemeinen 8.US Si-Stahl und übernehmen die zusätzliche Aufgabe, die für die Zentrierung benötigten Bauteile gegen eine übermäßige Hitzeentwicklung abzuschirmen, wodurch sich die Lebensdauer des ganzen Induktorsatzes erhöht.

Die Heuerung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbei-■eypiels näher erläutert j hierin zeigt s

Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen, von der Kurbelwelle abhebbaren Induktors in Arbeitsstellung,

S¹Ig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht des Induktorsatzes ₅

E¹Ig. 3 einen Schnitt des Induktorsatzes entlang der Linie 3 - 3 in Fig. 2,

S¹Ig. 4 eine Seilansicht des Heizelements,

Mg. 5 eine Draufsicht des Heizelements nach Fig. 4 von unten,

Fig# 6 einen Schnitt des Heizelements entlang der linie 6 - 6 in Fig» 4 im Tergrößerten Maßstab.,

Fig. 7 einen Schnitt des Heizelements entlang der Linie 7 - 7 in Fig. 4 im vergrößerten Maßstab,

Fig. 8 eine Teilansicht der L-förmigen Blechlamellen, Fig. 9 eine leilansicht der U-förmigen BlechlameIlen«

Der Induktorsatζ 10 besteht unter anderem aus dem Hochfrequenz-Eeizelement 11, das auf den Seitenblechen 12 ₅ 13 sitzt. Diese haben untere Durchlässe, so daß Freiräume 14 entstehen. An den Seitenblechen sind weiter Führungsstifte 16, 17 vorhanden,; die mittels der Schrauben 18 befestigt sind« Das zu behandelnde Werkstück, in diesem Fall eine Kurbelwelle, ist mit 19 bezeichnet, eine beliebige Lagerfläche der Kurbelwelle mit 20, die mit "wangen 21 versehen ist. Die zwischen diesen und der· Lageroberfläche der Kurbelwelle gebildeten Radien werden Hohlkehlen oder Füllflächen 22 genannt. Gerade diese Stellen sind extremen Beanspruchungen ausgesetzt und führen infolge Auftretens hoher Biegemomente in Verbindung mit Kerbspannungen häufig zum Bruch der Kurbelwelle.

Das Hochfrequenz-Induktor element 1-1 besteht aus den Hohlleitern 23) 24j die parallel zueinander angeordnet sind.. Ein Leiter 23 jeder Seite hat eine äußere Lagerfläche 25, eine äußere Wangenflache 26, beide Seitenleiter 23, 24 auch noch innere Seiten 27 und 28. An den rechten Enden der Seitenleiter befinden sich - wie Fig. 5 zeigt - verbindende Endleiter 29? während auf der linken Seite der. Seitenleiter 23» 24 Endleiter 30 vorhanden sind.

Jeder Leiter 30 steht mit Kupferrohren 31? 32 in Verbindung, während der Endleiter 29 mit Kupferrohren 33 t-ind 34 verbunden

ist. Da sowohl die Leiter 23, 24 wie auch die Leiter 29» 30 als Rohre ausgebildet sind, können sie über die Zuflußleitungen 31} 32 und 33, 34 mit Kühlflüssigkeit versorgt werden. Diese Leitungen stehen über die Leitung 35 mit Auslaßrohren 36₉ 37 in Verbindung. Der Endleiter 39 wird durch ein Leitblech 38 unterteilt, so daß die Kühlflüssigkeit durch die Leitungen 33? 34 strömen kann. Die Rohre 31, 32 sind ferner mit einer hochfrequenten Energiequelle verbunden. Die Außenseiten 25, 26 der Leiter 23, 24 sind mit Kupferblechen 39, 4Ö verbunden, die eine verbesserte Aufheizung der Werkstücke bewirken.

Die Seitenleiter 23, 24 tragen U-förmige inagnetisierbare Blechlamellen 41, 42, zwischen denen wieder L-förmige Blechlamellen 43 angeordnet sind» Beide Lamellenarten bestehen aus S-Stahl_? sie werden auf den Seitenleitern mittels Kupferstücken 44 gehalten. Die ΐ-förmige Mittelstütze 45 besteht aus dem metallischen Oberteil 46 mit einem keramischen Unterteil 47 sowie einem Querteil 48| sie ist mittels Schrauben 49 zwischen den Seitenblechen12, 13 befestigt. Teil 45 erstreckt sich in den Raum 14 hinein, wobei die Seitenleiter 23_? 24 des Induktorelenents 11 in günstigste Position zum aufzuheizenden Werkstück kommen.

Viie die G-e samt ansicht nach Jigur 1 zeigt, ist das Oberteil 50 des Induktorsatzes in geeigneter Weise mit einer Platte 51 verbunden, die ihrerseits von an der Traverse 55 befestigten Stangen gehalten wird, Die Traverse wird mittels eines aus vier Armen 56 bestehenden Parallelogramms geführt_? welches am Gehäuse 57 angebracht ist* Elektrische Leiter 53 kommen von einem Hochfrequenzgenerator und führen zu dem Transformator 52. In einem erfindungsgemäßen Anwendungsfall liefert ein Zehn-Kilohertz-G-enerator eine Leistung von 165 k¥«

Das Gehäuse 57 ruht auf einem Unterbau 58 _s an dem niehrer Rollen 59, die auf der Ringschiene 60 laufen_? befestigt sind. Die Ring-

_ ν —

schiene bildet den Rand des Abschrecktanks 61, Auf diese Weise kann der Induktor achspa,rallel zu.r Kurbelwelle geführt und an die zu erhitzenden Oberflächen herangebracht werden. Die Stangen 54 arbeiten mit dem lenkerparallelogramm 56 so zusammen, daß der Induktor jeweils immer auf der Kurbelwelle fest aufliegt. Durch Absenken wird die Induktoreinheit mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht und mittels der Stifte 16, 17 und 47 der günstigste Abstand des Induktorteils 11 hergestellt, wobei eine Drehung der Kurbelwelle möglich ist. Die Endleiter 29 _s 30 induzieren 'Wärme in den Lagerflächen, während die Seitenleiter 23 _s 24 die Kurbelwangen 21 und die Radienübergänge (Hohlkehlen) 22 beaufschlagen» Eine saubere Durchhärtung aller dieser Stellen vermeidet spätere Rißbildungen und Brüche der Kurbelwelle im Betrieb. Dies wird erreicht durch Anordnung von ΐΤ-Bleehen mit dazwischenliegenden L-Blecheii. Wie am besten aus der !Figur 6 zu erkennen ist, sind die L-Bleche so angeordnet, daß die zwischen Lagerflächen und Kurbelwangen befindlichen Hohlkehlen von einem stärkeren magnetischen S¹IuB getroffen und damit auch intensiver aufgeheizt werden als die benachbarten Kurbelwellenteile. Umgekehrt bewirken die U-Bleche eine Konzentration des magnetischen !Feldes in den Wangenflächen_? wodurch diese gegenüber den Rundungen stärker magnetisch und thermisch "beaufschlagt werden. Mit dieser kombinierten Wirkung ist es möglich, eine optimale und zugleich selektive Durchhärtung zu erzielen, wie sie allen bisher angewendeten Methoden eindeutig überlegen ist»

Die U-LameIlen lassen aufgrund ihrer verschieden gestalteten Horizontalerstreckungen das magnetische Feld direkt in die Kurbelwangen g elangen, während die Hohlkehlen weniger stark getroffen werden* Andererseits bewirken die L-Lamellen infolge Konzentration des Magnetflusses in den Hohlkehlen deren wirksame und gleichmäßige Durchhärtung. Insgesamt gesehen ergibt sich ein Härtevorgang, der während der nachfolgenden Abschrekkung weniger Fehler verursachen dürfte. Darüberhinaus bedingt

die Anordnung der L-Lamellen in "bezug auf die Mihrungsstifte
eine wirksame Unterstützung und Zentrierung des Induktorelements sowie eine längere Lebensdauer der Pührungsstifte. Ohne eine Abschirmung durch diese L-Lamellen würden die Stifte dauernd in unzulässiger Weise aufgeheizt; und damit schneller zerstört werden.

Hit der oben beschriebenen Anordnung ist also die gestellte
Aufgabe gelöst worden, abgeänderte Ausführungen im Rahmen des in den Ansprüchen offenbarten Gegenstandes sind jederzeit möglich.

Claims

Schutzansprüche

1. Hit hochfrequentem Wechselstrom betriebene Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von umlaufenden, mit Hüten oder Hohlkehlen versehenen Werkstücken, insbesondere Kurbelwellen, bestehend aus im gegenseitigen Abstand angeordneten, das zu erhitzende Werkstück gabelartig umgreifenden Seitentragplatten, die auf der Werkstückoberfläche abzustützende Abstancfe-"bzw. Führungselemente besitzen und einen mit einer Hochfrequenz-Stromquelle in Verbindung stehenden Induktor umgeben, dessen über Querleiter miteinander verbundenen, parallel zueinander angeordneten Halbzylinder-Seitenleiter zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit hohl ausgebildet sowie mit jeweils paarweise zueinander, auf je einem Seitenleiter angeordneten Blechlamellenpaketen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Seitenleitern (23, 24) jeweils paarweise angeordneten Iramellenpakete (41 > 42, 43) in an sich bekannter Weise auf jedem Seitenleiter wechselweise aus U-förmigen und L-förmigen Blechlamellen bestehen»

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Seitenleiter (23 bzw. 24) drei Lamellenpakete (41, 42, 43) mit Abstand angeordnet sind, wobei die beiden äußeren Pakete (41 > 42) U-förmige und das innenliegende Paket (43) L-förmige Blechlamellen besitzt.

3» Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktor-Vorrichtung über ein mit Tragstangen (54) verbundenes Parallelogrammgestänge (56) an einem parallel zum zu erhitzenden Werkstück verfahrbaren Gestell (57) aufgehängt ist.