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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Härtungstechnik eines Produktes
unter Verwendung einer Hochfrequenzerwärmung oder Hochfrequenzinduktionserwärmung, insbesondere
auf eine teilweise Härtung
in einer Flüssigkeit
mittels einer Hochfrequenzerwärmung.
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Auf
dem Gebiet der Automobiltechnik wird eine innere Oberfläche eines
Motorzylinders mit einem Kolben bei einer extrem hohen Geschwindigkeit in
einen gleitenden Eingriff gebracht, so daß ein hoher Verschleißwiderstand
der Oberfläche
und gute Schmierungseigenschaften für eine sanfte Hin- und Herbewegung
gefordert werden.
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Es
ist allgemein üblich,
daß eine
Zylinderbuchse, die aus härterem
Material als ein Zylinderblock gefertigt ist, auf der inneren Oberfläche des
Zylinders angeordnet wird, um mit dem Kolben in Berührung zu
treten. Es sollte jedoch beachtet werden, daß diese Struktur die Zahl der
Teile erhöht,
den Zusammenbau aufwendiger macht und somit die Herstellungskosten
steigert.
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Im
Hinblick darauf wurde ein Verfahren zur Erhöhung des Verschleißwiderstands
ahne Verwendung der Zylinderbuchse vorgeschlagen, bei dem die innere
Oberfläche
der Zylinderbohrung des Zylinderblocks gehärtet wird.
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In
diesem Fall ist es möglich,
indem die gesamte Oberfläche
des Zylinders dort, wo sie in gleitenden Kontakt mit dem Kolben
gebracht wird, gehärtet
wird, den Verschleißwiderstand
der gesamten Zylinderoberfläche
zu verbessern. Es wurde jedoch ermittelt, daß die gehärtete Oberläche eine schlechtere Schmiermittelaufnahmefähigkeit
hat als die Oberfläche,
die keiner Härtungsbehandlung
unterzogen wurde. Das heißt,
die Schmiereigenschaften der Zylinderoberfläche werden durch die Härtungsbehandlung verschlechtert.
Daher wurde vorgeschlagen, daß die Härtungsbehandlung
so ausgeführt
wird, daß mehrere
getrennte, gehärtete
Teile gebildet werden, die gleichmäßig über die gesamte Zylinderoberfläche verteilt
sind, um so den Verschleißwiderstand
zu verbessern, während
wünschenswerte
Schmiereigenschaften aufrechterhalten werden.
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Die
nicht geprüften
offengelegten japanischen Patentanmeldungen mit den Nummern 4-362116
und 4-362117 beschreiben Verfahren zur "teilweisen Härtungsbehandlung" zur Ausbildung einer
Vielzahl von getrennten und verteilten gehärteten Teilen auf der inneren
Oberfläche
eines Zylinders.
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Gemäß den obigen
japanischen Veröffentlichungen
wird die innere Oberfläche
des Zylinders unter Verwendung eines Laserstrahls der teilweisen Härtungsbehandlung
unterworfen. Das Härtungsverfahren,
das den Laserstrahl verwendet, ist insofern ungünstig, da es schwierig ist,
einen gleichmäßigen Härtungseffekt
zu erzielen. Um einen gleichmäßigen Härtungseffekt
bei der Verwendung des Laserstrahls zu erzielen, ist eine hochentwickelte
Steuerung für die
Anwendung des Laserstrahl notwendig, wobei diese Steuerung die Installationskosten
erhöhen könnte. Ansonsten
kann ein gewünschter
Qualitätspegel
unter den sich ergebenden Produkten nicht garantiert werden.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 60-39127 beschreibt, daß die
Hochfrequenzinduktionshärtungsbehandlung
in einem Wasserbad ausgeführt
wird. Nach den Verfahren wird die Zuführung von Kühlwasser so gesteuert, daß eine gleichmäßige Dicke
der sich ergebenen gehärteten
Schicht unabhängig
von den Änderungen
der Dicke des zu härtenden
Materials erzielt wird. Dieses Verfahren kann bei der teilweisen
Härtungsbehandlung
nicht verwendet werden.
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DE 39 26 571 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Ausbildung eines gewünschten gehärteten Musters auf der inneren
Oberfläche
des Zylinders mittels einer Hochfrequenzinduktionsheizung, die eine
Induktionsspule verwendet.
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DE 39 26 571 C1 offenbart
ein Verfahren zum induktiven Härten
von Zylinderlaufflächen
bzw. einen entsprechenden Induktorkopf, wobei ein Werkstück mittels
einer Induktorschleife des Induktorkopfs geheizt wird und wobei
der Induktorkopf relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Der Induktorschleife
ist in Arbeitsrichtung eine Abschreckbrause nachgeordnet, so daß nach Erhitzen
von Bereichen des Werkstückes
diese Werkstücke
durch Kühlwasser
aus der Abschreckbrause gekühlt
werden.
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DE 29 08 666 C3 offenbart
eine Induktionshärteeinrichtung
zum Härten
von Arbeitswalzen bestehend aus einem Induktionsofen und einer Wasserabschreckvorrichtung,
wobei die Arbeitswalze durch den Induktionsofen im wesentlichen
gleichmäßig erhitzt
wird und unmittelbar nach Beendigung des Erhitzens schnell in die
Wasserabschreckvorrichtung abgesenkt werden kann.
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Die
sich nach diesem Verfahren ergebende Produkte verbessern den Verschleißwiderstand
bzw. die Verschleißfestigkeit
der behandelten Zylinderoberfläche.
Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Schmiermittelhalteeigenschaft
der behandelten Zylinderoberfläche
verschlechtert wird, da das gehärtete
Muster durchgehend in Richtung vom Boden bis zur Spitze des Zylinders
ausgebildet ist. Es ist somit für
die gehärtete
Oberfläche
schwierig, eine wünschenswerte
Schmiereigenschaft aufrecht zu erhalten. Das Grenzgebiet zwischen
dem gehärteten
Gebiet und dem nicht gehärteten
Gebiet wird verbreitert, so daß das
gehärtete
Gebiet nicht in gewünschter Weise
ausgebildet werden kann. Somit ist es nicht möglich, stetige Eigenschaften
sowohl was den Verschleißwiderstand
als auch was die Schmierung der Zylinderoberfläche des gehärteten Produkts angeht, zu
erzielen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Härtungsverfahren
zur Herstellung gehärteter
Produkte zu schaffen, das sowohl den Verschleißwiderstand als auch die Schmiereigenschaften
verbessert.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Herstellung der obigen gehärteten
Produkte zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die gehärteten Produkte
mit der verbesserten Verschleißfestigkeit
und den Schmiereigenschaften zu schaffen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Induktionserwärmungs-
und Härtungsverfahren
in einem Flüssigkeitsbad
zur Herstellung gehärteter
Produkte zu schaffen, bei dem eine innere Oberfläche eines Zylinders durch eine Hochfrequenzinduktionshärtung gehärtet wird,
um ein gewünschtes
gehärtetes
Muster aus einer Vielzahl von getrennten teilweise gehärteten Teilen
darauf auszubilden.
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Eine
nochmals andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zur Steuerung einer Flüssigkeitsversorgung eines Flüssigkeitsbades
zu schaffen, in welchem eine Hochfrequenzinduktionshärtungsbehandlung
auf einen Zylinderblock angewandt wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Härtungsvorrichtung
anzugeben, mit welcher eine verbesserte Härtung, insbesondere mit einer
effektive Kühlung,
durchgeführt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Hochfrequenzinduktionshärtungsverfahren gemäß dem neuen
Anspruch 1, die Härtungsvorrichtung
gemäß dem neuen
Anspruch 10 und die Härtungsvorrichtung
gemäß dem neuen
Anspruch 13. Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt ein
Hochfrequenzinduktionshärtungsverfahren
zur teilweisen Härtung
eines Werkstückes
mittels einer Hochfrequenzinduktionserwärmung in einem Flüssigkeitsbad
die folgenden Schritte: Anordnen des Werkstücks in einem Flüssigkeitsbad,
Anordnen eines Härtungskopfes
zur Ausführung
einer Hochfrequenzinduktionserwärmung
im Flüssigkeitsbad
und Anordnen einer zu härtenden
Härtungsfläche bzw. Härtungsoberfläche des
Werkstücks
am Härtungskopf,
so daß diese
einer Induktionserwärmung
unterworfen wird, um ein teilweise gehärtetes Gebiet an der Härtungsfläche auszubilden,
um ein gehärtetes Muster
aus einer Vielzahl von im wesentlichen getrennten, gehärteten Abschnitten
auf der Härtungsfläche des
Werkstücks
auszubilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren einen Schritt der Durchführung eines Härtungsvorgangs,
bei dem eine vorbestimmten Leistung an den Härtungskopf gelegt wird, um
einen gehärteten
Teil auf einem Teil der Härtungsfläche des Werkstückes in
einer vorbestimmten Zeitdauer auszubilden, so daß eine Reihe von gehärteten Teilen, die
in einer Richtung ausgerichtet ist, durch den Härtungsvorgang ausgebildet wird.
Vorzugsweise werden beim wiederholten Ausführen des Härtungsvorgangs, bei dem die
Position des Härtungskopfes
relativ zur Härtungsfläche verschoben
wird, eine Vielzahl von Reihen der gehärteten Abschnitte an der Härtungsfläche ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Härtungskopf
aus einer ringförmigen
Härtungsfläche und
das Werkstück
wird mit einer ringförmigen
Härtungsfläche entsprechend dem
ringförmigen
Härtungskopf
versehen, so daß eine
Reihe gehärteter
Abschnitte, die umfangsmäßig voneinander
beabstandet sind, auf der Härtungsfläche durch
ein einmaliges Ausführen
des Härtungsvorgangs
ausgebildet wird. In diesem Fall wird der Härtungsvorgang vorzugsweise
wiederholt ausgeführt,
während
sich der Härtungskopf
relativ zur Härtungsfläche des
Werkstücks
bewegt, um ein gehärtetes
Muster mit einer Vielzahl von im wesentlichen getrennten Härtungsabschnitten
zu bilden, die axial und umfangsmäßig an der Härtungsfläche des
Werkstücks
voneinander entfernt sind. Vorzugsweise wird Kühlwasser einem erwärmten Gebiet
des Werkstücks,
das durch die Induktionserwärmung
erwärmt wurde,
in einer Richtung zugeführt,
die einer Richtung entgegengesetzt ist, in welcher der Härtungskopf
gemäß einer
vorbestimmten Härtungsreihenfolge
entlang der Härtungsfläche des
Werkstücks
verschoben wird, während
er die gehärteten
Abschnitte ausbildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren ferner folgende Schritte: Anordnen des Flüssigkeitsbades
an einer ersten Position, Anordnen des Härtungskopfes an einer zweiten
Position, die von der ersten Position um eine vorbestimmte Distanz
entfernt ist, Anordnen des Werkstücks in einem Behälter des
Flüssigkeitsbades,
und Positionierung des Härtungskopfes
relativ zum Werkstück
durch Bewegen des Härtungskopfes
und/oder des Behälters,
so daß der
Härtungskopf
der zu härtenden
Fläche
bzw. Oberfläche
des Werkstückes
in einer vorbestimmten Positionsbeziehung gegenübersteht. In diesem Fall wird
die Position des Werkstücks
erfaßt,
wenn das Werkstück
zwischen den ersten und zweiten Positionen ist. Der Härtungskopf und/oder
das Werkstück
im Tank werden bewegt, um, basierend auf der erfaßten Position
des Werkstücks,
positioniert zu werden.
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Vorzugsweise
umfaß das
Verfahren ferner die folgenden Schritte: Anordnen des Flüssigkeitsbades
an einer ersten Position, Anordnen des Härtungskopfes an einer zweiten
Position, die von der ersten Position um eine vorbestimmte Distanz
entfernt ist, Anordnen des Werkstücks in einem Behälter des
Flüssigkeitsbades,
Einfüllen
einer Flüssigkeit des
Flüssigkeitsbades
in den Behälter
bis zu einem Pegel, bei dem ein Teil des Werkstücks offen über der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet
ist, bevor das Werkstück
in der zweiten Position positioniert wird, Erfassen einer Positionsbeziehung
zwischen dem Werkstück
im Behälter
und dem Härtungskopf,
Bewegen des Behälters
von der ersten Position in die zweite Position bzw. zu der zweiten
Position, wobei das Werkstück
genau unter dem Härtungskopf
angeordnet wird, während
die Flüssigkeit
bis zu einem vorbestimmten Pegel in den Behälter gegeben wird, bei dem
eine Hochfrequenzinduktionserwärmung
an der Härtungsfläche des
Werkstückes
durchgeführt werden kann,
und Bewegen des Härtungskopfes
in das Flüssigkeitsbad,
um den Härtungskopf
gegenüber
der zu härtenden
Fläche
des Werkstückes
in einer Positionsbeziehung zu positionieren, die für die Hochfrequenzinduktionserwärmung geeignet
ist.
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Das
Verfahren umfaßt
ferner die Schritte des Bewegens des Werkstückes von der zweiten Position in
die erste Position und des Entleerens der Flüssigkeit aus dem Behälter, bevor
das Werkstück
die erste Position erreicht.
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Beim
obigen Verfahren wird eine Differenz zwischen der Außentemperatur
und der Flüssigkeitstemperatur
vorzugsweise in einem vorbestimmten Umfang gesteuert.
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Beispielsweise
ist ein Hochfrequenzinduktionshärtungsverfahren
zur Härtung
eines Werkstückes
mittels einer Hochfrequenzinduktionserwärmung in einem Kühlungswasserbad
angegeben, bei welchem ein Härtungskopf
in einer vorbestimmten Härtungsreihenfolge
entlang einer Härtungsfläche des
Werkstückes
verschoben wird, während
die Hochfrequenzinduktionserwärmung
durchgeführt wird,
wobei Kühlwasser
einem erhitzten Gebiet des Werkstückes, das durch die Induktionserwärmung erwärmt wurde
in einer Richtung zugeführt
wird, die sich entgegen der Richtung ersteckt, in der der Härtungskopf
gemäß der Härtungsreihenfolge
entlang der Härtungsfläche des
Werkstücks
verschoben wird, während
er die gehärteten
Abschnitte ausbildet.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Härtungsvorrichtung
zum teilweisen Härten
eines Werkstücks
mittels einer Hochfrequenzinduktionserwärmung in einem Flüssigkeitsbad
angegeben. Die Vorrichtung umfaßt
einen Behälter
zur Speicherung einer Flüssigkeit,
um das Flüssigkeitsbad
bereitzustellen, einen Härtungskopf
zum teilweisen Härten
eines vorbestimmten Gebietes der Härtungsfläche des Werkstücks, einen
Positionssensor zur Erfassung von Positionsbeziehungen der Härtungsfläche und
des Härtungskopfes, eine
Positioniervorrichtung zur Positionierung des Härtungskopfes und der Härtungsfläche des
Werkstücks,
basierend auf der Beziehung, die durch den Positionssensor erfaßt wurde,
derart, daß die
Härtungsfläche dem
Härtungskopf im
Flüssigkeitsbad gegenüberübersteht,
und eine Leistungs- bzw. Energieversorgung zur Versorgung des Härtungskopfes mit
Leistung bzw. Energie gemäß einer
vorbestimmten Bedingung, wenn die Härtungsfläche des Werkstückes in
geeigneter Weise am Härtungskopf
positioniert ist, um die Hochfrequenzinduktionserwärmung auszuführen.
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Der
Härtungskopf
weist eine ringförmige Konfiguration
auf und die Härtungsfläche des
Werkstückes
ist eine ringförmige
Härtungsfläche, die
dem Härtungskopf
entspricht, so daß eine
Reihe gehärteter
Anschnitte, die umfangsmäßig voneinander
beabstandet sind, durch einen einzigen Härtungsvorgang ausgebildet werden
kann. Der Härtungskopf
ist mit einer Vielzahl von Induktionsspulen versehen, die umfangsmäßig voneinander
beabstandet sind. Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung ferner eine
Umfangspositionssteuervorrichtung zur Steuerung einer relativen
Position zwischen dem Härtungskopf
und der Härtungsfläche des
Werkstückes
in einer umfangsmäßigen Richtung
und eine axiale Positionssteuervorrichtung zur Steuerung einer zentralen
axialen Richtung einer relativen Position der Härtungsfläche und des Härtungskopfes.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Härtungskopf
um eine vorbestimmte Distanz entlang der Härtungsfläche des Werkstückes gemäß einer
vorbestimmten Härtungsreihenfolge
verschoben. In diesem Fall umfaßt
die Vorrichtung eine Verschiebevorrichtung zum Verschieben des Härtungskopfes entlang
der Härtungsfläche des
Werkstückes
gemäß der Härtungsreihenfolge
und eine Kühlwasserzuführvorrichtung
zur Zuführung
von Kühlwasser
zu einem erwärmten
Gebiet, das durch die Induktionserwärmung erwärmt wird, in einer Richtung,
die der Richtung entgegengesetzt ist, in welcher der Härtungskopf
entlang der Härtungsfläche gemäß der Härtungsreihenfolge
verschoben wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
die Vorrichtung ferner einen Positionssensor zur Erfassung einer
Position des Werkstücks,
das im Behälter
angeordnet ist, wenn Flüssigkeit
in den Behälter
bis zu einem vorbestimmten Pegel eingefüllt wird, eine Bewegungsvorrichtung
zur Bewegung des Behälters,
in dem das Werkstücks
angeordnet ist, von einer ersten Position, die vom Härtungskopf
um eine vorbestimmte Distanz entfernt ist, in eine zweite Position direkt
unter dem Härtungskopf,
basierend auf einer Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und dem
Härtungskopf,
und eine Positioniervorrichtung zur Positionierung des Härtungskopfes
relativ zur Härtungsfläche des
Werkstücks
in einer Positionsbeziehung, die für die Hochfrequenzinduktionserwärmung geeignet
ist, basierend auf dem Ergebnis des Positionssensors.
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Die
Erfindung umfaßt
weiterhin eine Härtungsvorrichtung
zur teilweisen Härtung
eines Werkstückes
mittels einer Hochfrequenzinduktionserwärmung in einem Kühlwasser
umfassend:
einen Behälter
zum Speichern des Kühlwassers,
einen
Härtungskopf
zur teilweisen Härtung
eines vorbestimmten Gebietes an einer Härtungsfläche des Werkstückes, positioniert
in dem Kühlwasser
des Behälters,
eine
Verschiebevorrichtung zur Verschiebung des Härtungskopfes entlang der Härtungsfläche des Werkstückes gemäß der Härtungsreihenfolge
mit einem vorbestimmten Abstand und
eine Kühlwasserzuführvorrichtung, zur Zuführung von
Kühlwasser
zu einem durch die Induktionswärmung
erwärmten
Gebiet in einer Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist,
in der der Härtungskopf
entlang der Härtungsfläche gemäß der Härtungsreihenfolge
verschoben wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein Zylinderblock mit einem gehärteten Muster mit einer Vielzahl
von im wesentlichen getrennten gehärteten Abschnitten bereitgestellt,
die im wesentlichen die gleiche Konfiguration, Größe und gleichmäßige Dicke
der gehärteten
Schicht aufweisen.
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Wie
vorher erwähnt
wurde, besteht ein grundsätzliches
Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, ein Werkstück mit einer
Härtungsfläche und
einen Härtungskopf,
der Induktionsspulen aufweist, in einem Flüssigkeitsbad anzuordnen und
darin, ein gehärtetes
Muster mit im wesentlichen getrennten und gleichförmig verteilten
gehärteten
Abschnitten auf der Härtungsfläche des
Werkstückes
mittels einer Hochfrequenzinduktionserwärmung im Flüssigkeitsbad auszubilden.
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Die
vorliegende Erfindung kann passenderweise auf den Härtungsvorgang
zur Ausbildung eines gehärteten
Muster an einer inneren Obefläche
einer Zylinderbohrung eines Zylinderblockes für einen Brennkraftmaschine
angewandt werden. Der Härtungskopf
der vorliegenden Erfindung ist mit Induktionsspulen versehen, denen
Leistung mit einer vorbestimmten Frequenz, Spannung und Strom zugeführt wird,
um die Härtungsfläche des
Werkstückes
auf eine Härtungstemperatur
zu erwärmen.
In der vorliegenden Erfindung kann eine ringförmige Spule mit einer Windung,
wie sie in der nicht geprüften,
offengelegten japanischen Anmeldung Nr. 7-272845 beschrieben ist,
passenderweise als Induktionsheizungsspule verwendet werden. Die
Spule mit einer Windung, die in der offengelegten japanischen Anmeldung
Nr. 7-272845 beschrieben ist, ist mit einer Vielzahl von Magnetkernen
versehen, die umfangsmäßig voneinander
beabstandet sind. Somit erzeugt die Induktionsspule eine Vielzahl
starker magnetischer Felder in vorbestimmten Intervallen, die umfangsmäßig den
vielen magnetischen Kernen entsprechen. Somit wird eine Härtungsfläche des
Werkstückes
bis zum Härtungspunkt
des Materials umfangsmäßig an vorbestimmten
Intervallen erwärmt. Dies
ergibt eine Vielzahl getrennter, gehärteter Abschnitte, die auf
der Härtungsfläche des
Werkstücks ausgebildet
sind. Der gehärtete
Abschnitt, der durch einen einzigen Härtungsvorgang durch den ringförmigen Härtungskopf
ausgebildet wurde, besteht aus einem Muster mit einer Reihe von
vielen getrennten gehärteten
Abschnitten, die umfangsmäßig über die Härtungsfläche verteilt
sind. In diesem Fall ist der ringförmige Härtungskopf üblicherweise kleiner als die
Härtungsfläche, so
daß der
Härtungsvorgang wiederholt
ausgeführt
wird, indem der ringförmige Härtungskopf
in axialer Richtung bewegt wird, um das gehärtete Muster über der
gesamten Härtungsfläche auszubilden.
Dort wo der Härtungskopf
einer Winkelbewegung ausgesetzt ist, um die Hälfte eines Intervalls von zwei
magnetischen Kernen des ringförmigen
Härtungskopfes,
während
der Härtungskopf axial
bewegt wird, besteht das gehärtete
Muster aus einer Reihe getrennter, gehärteter Abschnitte, die im Winkel
gegenüber
dem vorher gehärteten
Muster um die Hälfte
des Intervalls zwischen zwei gehärteten Abschnitten
verschoben sind. Somit besteht das gehärtete Muster auf der gesammten
Härtungsfläche aus
einem versetzten Muster, bei dem die getrennten gehärteten Abschnitte
in Umfangsrichtung und in Axialrichtung getrennt und gleichförmig über die
gesamte Härtungsfläche des
Werkstücks
verteilt sind.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der Härtungsvorgang im Flüssigkeitsbad
ausgeführt,
wobei sowohl der Härtungskopf
als auch die Härtungsfläche des
Werkstückes
in der Flüssigkeit
angeordnet sind.
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Wenn
die Hochfrequenzinduktionserwärmung
im Flüssigkeitsbad
ausgeführt
wird, so ist dies deswegen vorteilhaft, da ein zu härtendes
Härtungsgebiet
zuverlässig
bis zum Härtungspunkt
erwärmt wird
und ein Gebiet, das nicht gehärtet
werden soll, zuverlässig
auf einer angemessen niedrigen Temperatur bleibt. Das kommt daher,
da die nicht zu härtenden
Gebiete sich im Kontakt mit der Flüssigkeit befinden, so daß ein Wärmeeinfluß auf ein
umgebendes Gebiet durch den Induktionsheizvorgang auf das zu härtende Gebiet
wirksam ausgeschlossen wird. Somit wird ein Grenzgebiet zwischen
dem gehärteten Gebiet
und einem nicht gehärteten
Gebiet, auf das der Härtungsvorgang
nicht angewandt wird, so schmal wie möglich gehalten, um die beiden
Gebiete klar zu unterscheiden, so daß ein gewünschtes gehärtetes Muster in Hinblick auf
das Gebiet, die Konfiguration, das Layout und dergleichen gebildet
werden kann. Somit ist es möglich,
sowohl den Verschleißwiderstand
als auch die Schmiereigenschaften über der gesamten Härtungsfläche des
Werkstücks
zu verbessern. Das Härtungsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung hält
den Wärmeeinfluß auf die
Gebiete, die nicht gehärtet
werden sollen, so klein wie möglich,
so daß die
Tiefe der gehärteten Schicht
des Werkstücks
auf einem relativ kleinen und gleichförmigen Wert über der
gesamten Härtungsfläche gehalten
werden kann. Zusätzlich
ist dies insofern vorteilhaft, da der Härtungskopf davor bewahrt wird, übermäßig erwärmt und
beschädigt
zu werden, dadurch daß der
Härtungskopf
immer in Kontakt mit der Flüssigkeit
gehalten und gekühlt
wird.
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Wasser
mit ungefähr
Außentemperatur
ist als Flüssigkeit
für die
vorliegende Erfindung geeignet. Vorzugsweise werden die Eigenschaften
des Wassers für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung angepaßt. Beispielsweise können Zusätze zur
Verhinderung von Ablagerungen sowohl an der Härtungsfläche des Werkstücks als
auch der Oberfläche des
Härtungskopfes,
wie beispielsweise ein grenzflächenaktiver
Stoff, ein PH-Steueragens oder dergleichen zugegeben werden, vorausgesetzt
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann erfüllt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Flüssigkeitsbad
oder ein Behälter
zur Speicherung einer Flüssigkeit,
in der der Härtungsvorgang
stattfinden soll, vorbereitet. Der Behälter hat eine Größe, die ausreicht,
um das Werkstück
und den Härtungskopf darin
anzuordnen. Vorzugsweise ist ein Positionssteuerme chanismus zur
Steuerung der Bewegung des Behälters
in der Art, daß der
Behälter
in einer horizontalen Ebene bewegt werden kann, um neben dem Härtungskopf
plaziert zu werden, vorgesehen.
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Wenn
das Werkstück
mit einer gewissen Toleranz durch die numerische Steuerung neben
dem Härtungskopf
positioniert ist, wird der Härtungskopf axial
bewegt und auf die Härtungsfläche des
Werkstücks
eingestellt, so daß der
Härtungskopf
in einer gewissen Distanz gegenüber
der Härtungsfläche des Werkstücks zu liegen
kommt. Dann wird dem Härtungskopf
Leistung unter einer vorbestimmten Bedingung zugeführt, um
eine Induktionserwärmung
zu bewirken. Ein Härtungsvorgang
des Härtungskopfes dauert
zwischen einigen Bruchteilen einer Sekunde bis zu einigen Sekunden.
Eine Reihe getrennter, gehärteter
Abschnitte bzw. Teile wird an der ringförmigen Härtungsfläche durch einen solchen Härtungsvorgang
ausgebildet. Dann wird der Härtungskopf axial
bewegt, um eine andere Reihe von getrennten, gehärteten Abschnitten auf einem
anderen Gebiet der Härtungsfläche zu erzeugen.
Der Härtungsvorgang
wird durch eine Energieversorgung in der gleichen Art wiederholt. Üblicherweise
wird der Härtungskopf
nach einem Härtungsvorgang
um eine Längenspanne
bewegt, um die andere Reihe von Härtungsteilen im danebenliegenden
Gebiet durchzuführen.
Der Härtungsvorgang
kann jedoch in einem vom vorhergehenden Gebiet entfernten Gebiet durchgeführt werden,
um die Wärmebeeinflussung zu
vermindern.
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Vorzugsweise
wird ein Flüssigkeitsstrom
auf einen Spalt zwischen dem Härtungskopf
und der Härtungsfläche während des
Härtungsvorgangs
gerichtet, um frische Flüssigkeit
dazwischen zu bringen, um den Kühlungseffekt
zu vergrößern. Somit
kann der Wärmeeinfluß um die
gehärteten
Abschnitte herum wirksam unterdrückt
werden. Es ist nicht notwendigerweise so, daß das Werkstück bewegt
wird, um dem Härtungskopf
gegenüber
positioniert zu werden. Es kann vielmehr auch der Härtungskopf
durch die numerische Steuerung bewegt werden, um gegenüber dem
Werkstück
plaziert zu werden. Wenn das Werkstück, das im Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist,
bewegt wird, um gegenüber
dem Härtungskopf plaziert
zu werden, wird vorzugsweise ein Hauptring, der auf einem Träger oder
einer Basis des Behälters vorgesehen
ist, als Referenzmarkie rung erfaßt bzw. detektiert und die
Positionsbeziehung zwischen dem Härtungskopf und dem Werkstück wird
basierend auf dem Hauptring gesteuert. In diesem Fall wird die Härtungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Sensor versehen, der an bekannter Position in
Bezug auf den Härtungskopf
montiert ist. Wenn somit der Hauptring durch den Sensor erfaßt wird,
erhält
man die Position des Hauptringes in Bezug auf den Härtungskopf.
Als nächstes
erhält
man die Positionsbeziehung zwischen der Härtungsfläche des Werkstücks und
dem Härtungskopf
durch Erfassung der Position der Härtungsflächen des Werkstücks auf dem
Träger
durch den Sensor. Dann wird das erhaltene Ergebnis in den Positionssteuermechanismus eingegeben,
so daß die
Härtungsflächen des
Werkstücks
gegenüber
dem Härtungskopf
positioniert werden können.
In dem Fall, bei dem der Härtungskopf
bewegt wird, um gegenüber
der Härtungsfläche des
Werkstücks
positioniert zu werden, kann ein ähnlicher Positionssteuermechanismus
vorgesehen werden.
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Das
Werkstück
wird während
des Härtungsvorgangs
im Flüssigkeitsbad
plaziert. Wenn jedoch die Position der Härtungsfläche des Werkstücks erfaßt wird,
so ragen zumindest Teile der Härtungsfläche über die
Flüssigkeitsoberfläche heraus,
um deren Position genau erfassen zu können. Wenn ein gesamter Zyklus
des Härtungsvorgangs
beendet ist, wird die Flüssigkeit
aus dem Behälter
so schnell wie möglich
entfernt, wenn das Werkstück
im Behälter
an einen anderen Ort transportiert wird, an dem ein Tempern des
Werkstückes
erfolgt, von dem Platz aus, an dem der Härtungsvorgang durchgeführt wurde.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der nachfolgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
deutlich, wenn diese im Licht der begleitenden Zeichnungen gelesen
wird.
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1 ist
eine Seitenansicht einer Hochfrequenzinduktionshärtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Aufsicht auf die in 1 gezeigte Härtungsvorrichtung.
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3 ist
eine Vorderansicht der in 1 gezeigten
Härtungsvorrichtung.
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4 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht einer Steuervorrichtung für einen
Positionssensor.
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5 ist
eine Vorderansicht eines Härtungskopfes.
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6 ist
eine Seitenansicht des Härtungskopfes
der 5.
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7 ist
eine Untenansicht des Härtungskopfes.
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8 ist
eine erläuternde
Ansicht, die die Kontaktdetektionsschaltung zeigt;
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9 ist
eine schematische Ansicht eines Kühlsystems der Härtungsvorrichtung.
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10 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht, die zeigt, daß der Härtungskopf
gegenüber
der Härtungsfläche des
Werkstücks
angeordnet wurde.
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11 ist
eine perspektivische Ansicht einer Injektionsdüse, die Kühlwasser in ein Induktionserwärmungsgebiet
injiziert.
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12 ist
ein Blockdiagramm einer Steuerschaltung der Härtungsschaltung.
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13 ist
ein Flußdiagramm
eines Verfahrens zur Bestimmung der Position der Induktionsspule des
Härtungskopfes.
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14 ist
ein Flußdiagramm
eines Verfahrens zur Nullpunkteinstellung der Koordinaten.
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15 ist
ein Flußdiagramm
einer Zylinderbohrungspositionseinstellsteuerung, und
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16 ist
eine Ansicht, die ein gehärtetes Muster
zeigt, das an bzw. auf der Härtungsfläche ausgebildet
ist.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen im
Detail beschrieben.
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Bezieht
man sich auf die 1 bis 3, so ist
dort eine Härtungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. In den 1, 2 und 3 ist
die Härtungsvorrichtung
mit einer Basis 1 versehen, auf der eine Säule 2 montiert
ist (rechte Seite in den 1 und 2). Ein
torartiger Träger 3 ragt
in einem mittleren Teil der Basis 1 auf. Ein Paar Schienen 4, 4,
die sich in Y-Achsenrichtung parallel zueinander erstrecken, sind
auf der Basis 1 angebracht. Ein unterer Tisch 5 ist
auf den Schienen 4, 4 angeordnet, um sich auf
den Schienen 4, 4 in Y-Achsenrichtung zu bewegen.
Der untere Tisch 5 ist mit einer Vielzahl von Gleitstücken 6 an
seinem Boden versehen, um eine gleitende Bewegung auf den Schienen 4, 4 durchzuführen. Ein
Y-Achsen-Motor M1, der auf einer Seite der Basis 1 montiert
ist, ist mit einer Kugelumlaufspindel, die über Kugeln mit einer Kugelführungsnut
im Eingriff steht, verbunden. Die Kugelführung ist auf dem unteren Tisch 5 montiert,
so daß der
untere Tisch 5 in Y-Achsenrichtung (in den 1 und 2:
die Richtung nach links und rechts) durch Rückwärts- und Vorwärtsdrehen
des Y-Achsen-Motors M1 bewegt wird.
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Ein
Paar Schienen 7, 7, die sich in X-Achsenrichtung
erstrecken ist auf der oberen Oberfläche des unteren Tisches 5 montiert.
Ein oberer Tisch 8 ist auf den Schienen 7, 7 angeordnet,
um sich in X-Achsenrichtung zu bewegen. Eine Vielzahl Gleitstücke 9 sind an
einer unteren Oberfläche
des oberen Tisches 8 montiert, so daß sich der Tisch 8 enlang
der Schienen 7, 7 in X-Richtung bewegen kann.
Ein X-Achsenmotor M2, der auf dem unteren Tisch 5 montiert
ist, ist mit einer Kugelumlaufspindel 10 verbunden, die über Kugeln
mit einer Kugelführungsnut
im Eingriff steht. Die Kugelführungsnut
ist auf dem oberen Tisch 8 montiert, so daß der obere
Tisch 8 durch Rückwärts- und
Vorwärtsdrehung
des X-Achsen-Motors M2 in X-Achsenrichtung bewegen werden kann.
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Somit
bilden der untere und der obere Tisch 8 einen Arbeitstisch 11 (einen
sogenannten X-Y-Tisch oder Kreuztisch), auf dem ein Wasserbehälter 12 mit
einer rechtwinkligen oder schachtelartigen Konfiguration angeordnet
ist. Ein Zylinderblock (Werkstück) 14,
das einer Härtungsbehandlung
gemäß der vor liegenden
Erfindung unterworfen wird, wird auf dem Behälter 12 durch ein
Trägerteil 13 positioniert
und fixiert.
-
Der
Zylinder 14 ist aus einem Metallmaterial hergestellt, das
sich für
eine Hochfrequenzinduktionshärtungsbehandlung
eignet, wie beispielsweise Gußeisen,
und mit Zylinderbohrungen 14 eines in dieser Ausführungsform
vierzylindrigen Motors als Härtungsflächen versehen.
Auf einer vertikalen Oberfläche
der Säule 2 sind
ein Paar Z-Achsenschienen 15, 15 montiert, die
sich nach oben und unten erstrecken, entlang derer ein Lift 16 beweglich
angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist der Lift 16 mit einer Rückplatte 17 versehen,
auf der eine Vielzahl von Gleitstücken 18 montiert ist,
so daß die
Gleitstücke gleitenden
auf den Z-Achsenschienen 15, 15 bewegbar sind.
Ein Z-Achsen-Motor M3, der auf einem oberen Teil der Säule 2 montiert
ist, ist mit einer Kugelumlaufspindel 19 verbunden, die
durch Kugeln mit einer Kugelführungsnut 20 im
Eingriff steht. Die Kugelführungsnut 20 ist
mit dem Plattenteil 17 verbunden, so daß der Lift 16 durch
eine Drehbewegung des Z-Achsen-Motors M3 in Aufwärts- und Abwärtsrichtung
bewegt werden kann.
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Der
Lift 16 ist mit dem Plattenteil 17 und einem Basisteil 21 versehen,
das sich horizontal erstreckt und integral auf einer Frontseite
des Plattenteils 17 montiert ist. Auf der Basis 21 ist
ein Transformator 22 zur Transformation einer Energieversorgung
für die
Hochfrequenzinduktionsheizung montiert. Ein Härtungskopf 23 ist
auf einer unteren Oberfläche
der Basis 21 montiert, um vertikal und nach unten davon
weg zu hängen.
Somit ist der Härtungskopf
mittels des Z-Achsen-Motors
M3 in Aufwärts- und
Abwärtsrichtung
bewegbar. Auf der oberen Oberfläche
der Basis 21 ist über
einen Scheibenträger 24 eine
Scheibe 25 montiert. Wie in 2 gezeigt
ist, ist die Scheibe 25 mit einem Gewindeteil am äußeren Ende
ausgebildet, während
eine Drehwelle 27 eines Motors M4 zum Verändern der
Winkelausrichtung des Härtungsgebietes
mit einem Zahnrad 28 versehen ist, das im Eingriff mit
dem Gewindeteil 26 der Scheibe 25 steht.
-
Somit
wird die Winkelausrichtung des Härtungskopfes
und des Transformators 22 integral um eine zentrale Achse
des Härtungskopfes
um einen vorbestimmten Winkel in einer horizontalen Ebene gedreht,
wenn der Motor M4 eine Drehbewe gung in Rückwärts- und Vorwärtsrichtung
macht.
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Auf
entgegengesetzten Seiten der Basis 1 sind ein Paar Ausgleichsluftzylinder 29 montiert,
so daß sie
sich nach oben und unten erstrecken. Entsprechende Kolbenstangen 30 der
Zylinder 29 sind mit einer Klammer 32 des Lifts 16 über Verbindungsteile 31 verbunden,
so daß die
Luftzylinder 29 den Z-Achsen-Motor M3 mit einer Hilfskraft
gegen das Gewicht des Hebemechanismuses, einscließlich des Lifts 16 und
des Transformators 22 und dergleichen versehen, um die
Betriebsbelastung des Z-Achsen-Motors M3 zu dämpfen. In diesem Fall werden die
Kolbenstangen 30 des Luftzylinders 29 gehoben, um
die Last auf den Motor M3 abzuschwächen, wenn sich der Lift 16 nach
oben und unten bewegt.
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Ein
Bohrungspositionssensor 33 ist auf dem Träger 3 zur
Messung von Positionen der Bohrungen 14a des Zylinderblocks 14 vorgesehen.
Es kann ein beliebiger bekannter Sensor verwendet werden, sofern
der Durchmesser einer Zylinderbohrung damit gemessen werden kann. Üblicherweise
erhält
ein Sensor eine gemessene Position des Zentrums der Zylinderbohrung.
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Auf
dem oberen Tisch 8 des Arbeitstisches 11 sind
ein Berührungssignalmeßfühler 34 zur
Messung der Position des Härtungskopfes 23 und
ein Hauptring 35 mit einer runden Vertiefung als Referenzteile
des Tisches 8 montiert, welcher einen Referenzpunkt des
Tisches 8 bildet. Der Berührungsmeßfühler 34 und der Hauptring 35 sind
in einem Abstand zueinander auf dem Tisch 8 angeordnet,
so daß sie nach
oben vorstehen.
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Der
Bohrungspositionssensor 33 ist so ausgelegt, daß er sich
in Aufwärts-
und Abwärtsrichtung bewegt.
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Wie
in 4 gezeigt ist, ist der Sensor 33 auf einem
Lift 36 montiert, während
ein Paar Schienen 38 auf einer Klammer 37 montiert
sind, die auf der Stütze 3 angeordnet
ist. Eine Vielzahl von Gleitstücken 39 sind
auf einer hinteren Oberfläche
des Lifts 36 montiert. Die Gleitstücke 39 greifen in
die Schienen 38 ein, so daß der Sensor 33 sich
in Aufwärts- und
Abwärtsrichtung
durch die Drehbewegung des Liftmotors M5 bewegt.
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Der
Motor M5 ist mit einer Kugelumlaufspindel 41 über eine
Kupplung 40 verbunden. Eine Kugelführungsnut 42, die
mit dem Lift 36 verbunden ist, steht über Kugeln mit der Kugelumlaufspindel 41 im Eingriff.
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In
den 5 bis 8 ist der Härtungskopf 23 gezeigt.
Der Härtungskopf 23 ist
mit einem Verbindungsflansch 43 versehen, der mit einer
sekundären Seite
des Transformators 22 verbunden ist, mit einer Induktionsspule 44 und
einer Kupferleitung zur Verbindung des Flansches 43 und
der Induktionsspule 44. Sie sind durch einen Isolator aus
Tetrafluorethylen, Harz oder Mika isoliert.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Induktionsheizspule 11 mit elf Vorsprüngen 47 und
Vertiefungen 48 (siehe 7) versehen,
die gleichmäßig in ihrer Umfangsrichtung
beabstandet sind, so daß elf
getrennte gehärtete
Teile, die umfangsmäßig gleich voneinander
beabstandet sind, gleichzeitig auf der Bohrung 14a des
Zylinderblocks 14 durch einen Härtungsvorgang ausgebildet werden.
Magnetkerne 49 sind auf den jeweiligen Vorsprüngen 7 angeordnet, um
die magnetische Flußdichte
zu verstärken.
Ein Meßabschnitt 50 aus
Kunstharz, wie beispielsweise NC-Nylon, der im Härtungskopf 23 zentriert
ist, ist im Härtungskopf 23 an
einem unteren Teil der Induktionsheizspule 44 befestigt,
um den Kopf 23 zu zentrieren.
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Zusätzlich ist
ein nicht magnetisches, leitendes Teil 51, das aus rostfreien
Drähten,
die zu einer Kreuzform zusammengebaut sind, auf dem Kopf 23 an
der untersten möglichsten
Position oder am Spitzenende des Kopfes montiert, um sich in die
Bohrung 14a einzuschieben, um einen Kontakt des Kopfes 23 mit
der Oberfläche
der Bohrung 14a zu detektieren. Das nichtmagnetische, leitende
Teil 51 besteht aus einem nachgiebigen Teil, das um eine
Länge L
von einem äußeren Ende
der Spule 44 vorsteht. Die Kontaktdetektionsschaltung kann
so zusammengesetzt sein, wie das in 8 gezeigt
ist, wobei sie das nichtmagnetische, leitende Teil 51 verwendet.
In der Schaltung sind eine Energiequelle 54 und ein Kontaktdetektionsrelais 55 auf
einer Linie 53 angeordnet, die die Erde 52 mit
dem Verbindungsflansch 43 des Kopfes 23 verbindet.
Die Induktionsheizspule 44 ist mit dem nicht magnetischen,
leitenden Teil 51 über eine
Leitung 56 aus rostfreiem Material verbunden. Einige zehn
Volt werden beispielsweise von der Energiequelle 54 an
das Teil 51 gelegt. Das Relais 55 schaltet ein,
wenn das Teil 51 in Kontakt mit der Bohrung 14a gebracht
wird, um einen geschlossenen Kreis zu bilden, in dem Fall, bei dem
der Kopf 23 in die Bohrung 14a eingeschoben wird.
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Wie
vorher erwähnt
wurde, sind das Teil 51 und die Leitung 56 aus
rostfreien Materialien hergestellt, die nicht magnetisch, leitend
und hitzebeständig
sind.
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Ein
Kühlwasserversorgungssystem
ist, wie in 9 gezeigt, vorgesehen, um das
Wasser W abzulassen und im Hinblick auf den Behälter 12 zirkulieren
zu lassen.
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Das
System ist mit einer Wasserrückführleitung 60 versehen,
die auf dem Boden der Basis 1 ausgebildet ist, einem Ablaßbehälter 61,
der an einem Ende der Leitung 60 angeordnet ist, die zum
Behälter 61 hin
geneigt ist, einem Wasserversorgungsbehälter 62, der in der
Nähe der
stromaufwärtigen Seite
der Leitung 60 angeordnet ist. Ein Saugkopf 63, der
im Behälter 61 angeordnet
ist, ist mit einer ersten Pumpe 65 verbunden, um das Wasser
durch eine Ansaugleitung 64 zu führen. Ein Wasserflußregulierventil 67 ist
mit der Pumpe 65 durch eine Zuführleitung 66 verbunden.
Die Zuführleitung 66 ist
in drei Verzweigungsleitungen 68, 69 und 70 aufgeteilt.
In der ersten Verzweigungsleitung 68 ist ein erstes Ventil 71 angeordnet.
Die Leitung 68 ist mit Einlaßanschlüssen verbunden, die auf entgegengesetzten
Seiten des Behälters 12 ausgebildet
sind. In ähnlicher
Weise ist die zweite Leitung 69 mit einer Vielzahl von
Einlaßanschlüssen 74 versehen,
die auf der Bodenoberfläche des
Behälters 12 ausgebildet
sind. Die Leitungen 66, 68, 69 und 70 sind
flexibel genug, um es dem Behälter 12 zu
gestatten, sich beim Folgen des Arbeitstisches 11 zu bewegen.
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In
der dritten Verzweigungsleitung 70 ist ein drittes Ventil 75 angeordnet.
Ein Ende der Leitung 70 ist mit einem Rohr 76 verbunden,
daß am
Bodenteil des Behälters 12 angeordnet
ist. Das Rohr 76 ist mit den Wasserinjektionsdüsen 77 verbunden,
die an unteren Positionen der jeweiligen Zylinderbohrungen 14a angeordnet
sind, um das Kühlwasser
zuzuführen.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil 71, 73, 75 und 85 könnte durch
ein magnetischen Schieber oder eine Kombination aus einem magnetischen Schieber
und einem Flußregulierer
ersetzt werden. Das Wasser im Behälter 12 wird schnell
aus dem Tank in die Rückführleitung 60 entladen,
wenn ein Sicherheitsventil 78, das am Boden des Behälters 12 angeordnet
ist, geöffnet
wird. Überfließendes Wasser vom
Behälter 12 wird
ebenfalls darüber
in die Rückführleitung
geführt.
Ein Saugkopf 79, der im Ablaßbehälter 61 angeordnet
ist, ist mit einer zweiten Pumpe 81 über eine Saugleitung 80 verbunden.
Eine Versorgungsleitung 82 der zweiten Pumpe 81 ist
in den Versorgungsbehälter 62 eingeführt. Auf
der Leitung 82 sind ein Filter 83, eine Kühlvorrichtung 84 zur
Regelung der Wassertemperatur auf einen gewünschten Wert und ein viertes
Ventil 85 angeordnet.
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Ein
Antikorrosionsagens ist dem Wasser zugegeben, das dem Behälter 12 vom
Versorgungsbehälter 62 zugeführt und
durch die Rückleitung 60 in den
Ablaßtank
geführt
wird, nachdem das Wasser W benutzt wurde, um das Werkstück zu kühlen. Die zweite
Pumpe 81 pumpt das Wasser W durch die Versorgungsleitung 82 in
den Behälter 61,
um das Wasser für
die Zirkulation zuzuführen.
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Wie
in den 10 und 11 gezeigt
ist, ist die Injektionsdüse 77 mit
einer ringförmig
geneigten Oberfläche 77a an
ihrer oberen Endoberfläche
ausgebildet. Die Oberfläche 77a ist
mit einer Vielzahl von Wasserinjektionslöchern 77b versehen,
von denen das Kühlwasser
injiziert wird, um Hauptstömungslinien
A entlang der inneren Oberfläche
der Zylinderbohrung 14a zu bilden.
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In
dieser Ausführungsform
wird der Härtungskopf 23 mittels
des Z-Achsen-Motors
M3 vom oberen Teil zum unteren Teil der Zylinderbohrung 14a bewegt.
Der Härtungsvorgang
des Kopfes 23 wird nach unten durchgeführt, wie dies durch einen Pfeil
B gezeigt ist und das Kühlwasser
W wird in die Bohrung 14a nach oben injiziert.
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12 zeigt
ein Blockdiagramm der Steuerschaltung der Hochfrequenzinduktionshärtungsvorrichtung.
Die CPU 90 empfängt
verschiedene Signale vom Positionssensor 33, dem Berührungsmeßfühler 34 und
dem Kontaktdetektionsrelais 55 und steuert daraufhin den
Y-Achsen-Motor M1, den X-Achsen-Motor M2, den Z-Achsenmotor M3,
den Härtungskopfverschiebemotor
M4, den Boh rungssensorhebemotor M5, die Luftzylinder 29,
den Oszillator 87, das Sicherheitsventil 78, die
Pumpen 65, 81, die Ventile 71 , 73, 75 und 85 und
den Flußregulierer 67 gemäß einem
im ROM 86 gespeicherten Programm. Das RAM 88 speichert
verschiedene Daten und Tabellen, wie beispielsweise die Daten der
Bohrung 14a, die man durch den Bohrungspositionssensor 33 erhält, die
gemessenen Daten des Hauptzylinders 14, die man durch den
Sensor 33 erhält,
die Positionsdaten des Härtungskopfes 23,
die man durch den Berührungsmeßfühler 34 erhält, die
Positionsdaten des Bohrungspositionssensors 33, die man
durch den Berührungsmeßfühler 34 erhält und dergleichen.
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Die
Montageposition des Härtungskopfes 23 wird
unter Verwendung des Meßabschnittes 50 aus NC-Nylon
gemessen, der zentriert und am Härtungskopf 23 befestigt
wird. Ein rundes Spitzenendteil des Berührungsmeßfühlers 34 wird in Kontakt
mit einem äußeren Ende
des Meßabschnittes 50 des
Kopfes 23 gebracht, der vom nicht magnetischen, leitenden
Teil 51 45 Grad entfernt ist. Wenn Meßdaten für vier Positionen auf dem äußeren Ende
des Meßabschnitts 50 gesammelt
wurden, wird die Zentrumsposition des Kopfes 23 basierend
auf den Daten der vier Punkte berechnet. Der Oszillator 87 ist
mit einer (nicht gezeigten) Hochfrequenzenergiequelle verbunden.
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Unter
Bezugnahme auf die 13, 14 und 15 werden
das Spulenpositionsbestimmungsverfahren, das Koordinatennullstellverfahren und
das Bohrungspositionseinstellverfahren erläutert.
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Bezieht
man sich auf 13, so wird das Bestimmungsverfahren
der Induktionsspulenposition oder der Härtungskopfposi tion folgendermaßen durchgeführt. Der
Härtungskopf 23 wird
auf einem Teil einer sekundären
Seite des Transformators 22 von Hand montiert (Schritt
S1) und mißt
Fehler, so wie er montiert ist, in Schritt S2.
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In
diesem Fall wird der Arbeitstisch 11 durch den Y-Achsen-Motor
M1 und den X-Achsen-Motor M2 bewegt, um den Bohrungspositionssensor 33 mit dem
Berührungsmeßfühler 34 zu
messen. In ähnlicher
Weise wird der Arbeitstisch 11 so bewegt, daß der Berührungsmeßfühler 34 den
Härtungskopf 23 messen kann.
In diesem Fall wird das runde Spitzenendteil des Berührungsmeßfühlers 34 in
Kontakt mit der Meßposition 50 eines
NC-Nylons gebracht, um eine zentrierende Position des Härtungskopfes 23 zu erhalten.
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In
Schritt S3 beurteilt die CPU 90, ob die Positionsfehler
der Spule 44 innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen,
sie beurteilt die Fehler beispielsweise als akzeptabel, wenn sie
kleiner als 0,1 mm sind.
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In
Schritt S4 berechnet die CPU 90 die Position des Härtungskopfes 23,
basierend auf den Meßdaten
des Bohrungspositionssensors 33. Die Montagepositionsdaten
des Härtungskopfes 23,
die man auf die vorher erwähnte
Art erhalten hat, werden in einem vorbestimmten Gebiet des RAM 88 gespeichert.
Diese Reihe von in 13 gezeigten Prozeduren wird
beim Start ausgeführt
und danach in vorbestimmten Intervallen wiederholt.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 14 das
Koordinatennullstellverfahren erläutert. Im Schritt S11 bestätigt die
CPU 90 die Position des Hauptrings 35. In diesem
Fall wird der Hauptring 35 durch eine Bewegung des Arbeitstisches 11 direkt unter
den Bohrungspositionssensor 33 bewegt, dann wird der Bohrungspositionssensor 33 abgesenkt,
um in den Hauptring 35 eingeschoben zu werden. Somit kann
die Position des Hauptrings 35 bestätigt werden. In Schritt S12
beurteilt die CPU 90, ob sich die Koordinatenfehler in
einem erlaubten Bereich befinden oder nicht. Beispielsweise beurteilt
die CPU 90 die Fehler als akzeptabel, wenn sie nicht größer als 80
Mikrometer sind. Wenn die Beurteilung positiv ist, geht das Verfahren
weiter zu Schritt S13. Wenn die Beurteilung aber negativ ist, geht
das Verfahren zu Schritt S14. In Schritt S13 führt die CPU 90 die
Nullstellung der Koordinaten aus, während sie in Schritt S14 die
Maschine stoppt. Die Nullstelldaten werden in einem vorbestimmten
Gebiet des RAM 88 gespeichert. Die Folge von Prozeduren,
die in 14 gezeigt ist, wird zu Beginn
ausgeführt
und danach in vorbestimmten Intervallen wiederholt.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der 15 das
Bohrungspositionseinstellverfahren erläutert. Im Schritt S21 bestätigt die
CPU 90 die Position der Bohrung des Zylinderblocks 14.
In diesem Fall wird der Zylinderblock 14 durch die Bewegung
des Arbeitstisches 11 bewegt, um die Bohrung 14a direkt
unter dem Bohrungspositionssensor 33 zu positionieren.
Dann wird der Bohrungssensor 33 durch den Motor M5 abgesenkt,
um in die Bohrung 14a eingeschoben zu werden.
-
In
Schritt S22 beurteilt die CPU 90, ob sich die Position
der Bohrung 14a im erlaubten Bereich befindet oder nicht.
Die CPU 90 beurteilt beispielsweise die Position als akzeptabel,
wenn der Betrag, der für
den Koordinatennullstellungswert eingestellt werden muß, nicht
größer als
0,2 mm ist. Wenn die Beurteilung positiv ist, wird Schritt S23 ausgeführt. Wenn
die Beurteilung negativ ist, wird das Werkstück, das als nicht gut beurteilt
wird, ausgeschlossen.
-
Im
Schritt S23 bestimmt die CPU 90 den Betrag für die Einstellung
der Bohrungsposition, vergleicht die bestätigten Daten der Bohrungsposition und
des Koordinatennullstellwertes und führt die Einstellung der Bohrungsposition
durch eine Steuerung des Arbeitstisches 11 aus. In diesem
Fall wird dieses Verfahren für
alle Zylinderbohrungen 14a ausgeführt. Als nächstes startet die CPU 90 in
Schritt S24 den Härtungsvorgang.
Vor der Ausführung
des Härtungsvorgangs
in Schritt S24 betätigt
die CPU 90 die erste Pumpe 65 und dergleichen,
um das Kühlwasser
in den Behälter
mindestens bis zur hypothetischen Linie a in 9 (was ungefähr dem halben
Pegel des Behälters 12 entspricht)
einzufüllen.
Weiterhin wird vor dem Härtungsvorgang
der Behälter 12 aus
der in 1 gezeigten Position nach rechts in eine andere Position
bewegt, wo die Zylinderbohrung 14a direkt unter dem Härtungskopf 23 plaziert
wird, indem die Bewegung des Arbeitstisches 11 gesteuert
wird. Dann wird der Härtungskopf 23 in
die Bohrung 14a bewegt. Wenn das nicht magnetische, leitende
Teil 51 mit der Oberfläche
der Bohrung 14a in Kontakt tritt, wird das Kontaktdetektionsrelais 55 angeschaltet,
so daß die
CPU 90 den Z-Achsen-Motor M3 stoppt. Wenn das Teil 51 nicht
mit der Oberfläche
der Bohrung 14a in Kontakt steht, wird der Hochfrequenzhärtungsvorgang
ausgeführt.
-
Wenn
der Härtungsvorgang
gestartet wird, betätigt
die CPU 90 die erste Pumpe 65 und dergleichen,
um den Behälter 12 mit
Kühlwasser
W durch die Einlaßöffnungen 72 und 74 zu
füllen,
bis zu einem Pegel, bei dem sich die gesamte Zylinderbohrung 14a unter
Wasser befindet, wie das in 9 durch die
durchgezogene Linie angezeigt ist.
-
In
dieser Ausführungsform
wird der Z-Achsen-Motor M3 betätigt,
um den Härtungskopf 23 um eine
vorbestimmte Distanz nach unten zu bewegen, wenn der Härtungsvorgang
ausgeführt
wird, so daß Reihen
von gehärteten
Teilen, a, b, c, d, e, f, g, h, i und j einzeln nacheinander in
dieser Reihenfolge ausgebildet werden, wie dies in 16 gezeigt
ist. Der Härtungsvorgang
zur Ausbildung einer Reihe gehärteter
Teile auf der Oberfläche
der Bohrung 14a benötigt
ungefähr
0,5 Sekunden und die Bewegung des Kopfes 23 zur nächsten Position
benötigt
0,5 Sekunden. Wenn sechs Reihen gehärteter Teile ausgebildet werden
sollen, so werden ungefähr
6 Sekunden für
die Härtungsvorgänge einer
gesammten Bohrung 14a benötigt.
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In
diesem Fall wird, da sich der Härtungskopf 23 beim
Durchführen
des Härtungsvorgangs
nach unten bewegt, wie das durch den Pfeil B in 10 gezeigt
ist, das Wasser W nach oben gegen die erwärmten Teile injiziert. Die
Injektion A aus den Injektionslöchern 77b der
Düsen 77,
die an unterer Position der Bohrung 14a angeordnet sind,
wird entlang der Oberfläche
der Bohrung 14a kontinuierlich angewandt.
-
16 zeigt
gehärtete
Muster, die auf der Oberfläche
der Bohrung 14a, die um die Z-Achse abgewickelt ist, ausgebildet
sind. In 16 sind die gehärteten Teile
durch die schraffierten Teile dargestellt. Beim Durchführen des
Härtungsvorgangs
werden die gehärteten
Teile a, b, c, d, e, f, g, h, i und j in dieser Reihenfolge von
oben nach unten ausgebildet. Um die gehärteten Teile f, g, h, i und
j nach den Härtungsvorgängen a,
b, c, d, e durchzuführen,
ist es notwendig, den Härtungskopf
um einen gewissen Winkel zu drehen. Für diesen Zweck betätigt die
CPU 90 den Motor M4, um die Winkelposition des Härtungskopfes 23 zusammen
mit dem Transformator 22 durch das Zahnrad 28,
das Gewinde 26 und die Scheibe 25 um einen vorbestimmten
Winkel zu verschieben. Durch diese Reihenfolge des Härtungsvorgangs kann
der Wärmeeinfluß von vorherigen
Härtungsvorgängen minimiert
werden, während
durch das Wasser W eine größere Kühlungszeit
geliefert werden kann, so daß die
versetzten Muster mit den gehärteten
Teilen a–j,
wie in 16 gezeigt, wirksam ausgebildet
werden können.
Gemäß dem gehärteten Muster,
wie es in 16 gezeigt ist, verbleiben nicht
gehärtete
Teile, die keiner Härtungsbehandlung
unterzogen werden und sie sind gleichmäßig auf der Oberfläche der
Bohrung 14a verteilt. Somit kann das Schmiermittel auf
den nicht gehärteten
Teilen wirksam gehalten werden. Die gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildete Oberfläche
der Bohrung 14a kann den Verschleißwiderstand verbessern, während sie
die gewünschte
Schmiereigenschaft beibehält.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Kühlwasserinjektion
nach oben entgegen der Abwärtsbewegung
des Härtungskopfes 23 vorgenommen,
so daß das
durch die Kühlung
des durch Induktion erwärmten
Gebietes erwärmte
Wasser W, zu einer hinteren Seite des Härtungskopfes 23 geführt wird.
Somit kann gekühltes,
frisches Wasser wirksam dem durch die Induktion erwärmten Gebiet
zugeführt werden.
Somit kann der Wärmeeinfluß auf ein
folgendes Härtungsgebiet
so gut wie möglich
unterdrückt werden,
so daß ein
gleichförmiges
Härtungsmuster erzielt
werden kann. Im Ergebnis kann eine stabile und hohe Qualität der gehärteten Produkte
erreicht werden, die einen gleichmäßigen Verschleiß liefert.
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Das
Kühlwasser
kann durch ein Öl
ersetzt werden, das bei der Härtungsbehandlung
verwendet werden kann. Der Härtungskopf
kann mit einem Kühlungspfad
ausgebildet sein. Die Reihenfolge der Härtungsvorgänge kann geändert werden, so daß die gehärteten Teile
in der Reihenfolge a, f, b, g, c, h, d, i, e und j ausgebildet werden.
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Wie
vorher erwähnt
wurde, ist die Härtungsvorrichtung
mit der Basis 1, der Säule 2 und
dem Träger 3,
der im mittleren Teil der Basis 1 angeordnet ist, versehen. Über der
Basis 1 ist der Arbeitstisch 11 angeordnet, so
daß er
in der Y- und X-Achsenrichtung bewegt werden kann. Der Behälter 12,
in dem das Werkstück
angeordnet wird, ist auf dem Werktisch 11 angeordnet. Die
Scheibe 25 und der Härtungskopf 23,
der im Zentrum der Scheibe 25 angeordnet ist, sind hinter
dem Träger 3 angeordnet.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist eine Tempervorrichtung neben
der Härtungsvorrichtung
angeordnet. Die Tempervorrichtung ist mit einem Paar Schienen 100, 100 versehen,
die sich in Y-Achsenrichtung erstrecken. Auf den Schienen 100 ist
beweglich ein Tisch 101 angeordnet, auf dem der zu tempernde
Zylinderblock 14 angeordnet wird. Ein Temperkopf 102 ist
an einem Endteil der Schienen 100 angeordnet. In dieser
Ausführungsform
ist der Temperkopf 102 mit vier Induktionsheizspulen 103, 103, 103 und 103 zum gleichzeitigen
Tempern der vier geraden Zylinderbohrungen versehen. Die Induktionsheizspulen
werden durch den Kopf 102 getragen und hängen von ihm
nach unten weg, um relativ zu den Bohrungen 14a in der
gleichen Weise wie die Induktionsspule 44 des Härtungskopfes 23 positioniert
zu werden.
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Ein
Lift 104 zur Positionierung der Spulen 103 am
Zylinderblock 14 und zum Wegbewegen vom Zylinderblock ist
vorgesehen. Wenn der Tisch 101 in einer ersten Position
entfernt vom Temperkopf 102 positioniert ist, wird ein
rechtwinkliges Kühlungsbad 105 zur
Kühlung
des der Temperbehandlung unterworfenen Zylinderblocks neben dem
Tisch 101 angeordnet. Nachdem es gehärtet wurde, wird das Werkstück im Behälter 12 von
einer zweiten Position, in der der Härtungskopf positioniert ist,
zur ersten Position bewegt, wo das Werkstück durch eine (nicht gezeigte)
Ladevorrichtung aus dem Behälter 12 herausgehoben
und durch die Ladevorrichtung in X-Achsenrichtung enlang einer Linie
X1 zur Tempervorrichtung befördert
wird.
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In
diesem Fall wird der Zylinderblock 14 auf dem Tisch 101 plaziert,
der sich an der ersten Position befindet. Als nächstes wird das Werkstück 14 von der
ersten Position zur zweiten Position direkt unter den Temperkopf 102 bewegt.
Dann wird der Lift 104 betätigt, um den Temperkopf 102 abzusenken,
so daß die
Induktionsspule 103 in die Bohrung 14a eingeschoben
und so positioniert wird, daß sie
der Oberfläche
der Bohrung 14a in einer vorbestimmten Distanz, die für die Induktionserwärmung optimiert
ist, gegenübersteht.
Dann wird die Energieversorgung unter einer vorbestimmten Bedingung
an den Temperkopf gelegt, um den Zylinderblock 14 in ungefähr einer
Minute von Zimmertemperatur auf ungefähr 300–350 Zentigrad zu erhitzen.
Der Zylinderblock wird für
eine vorbestimmte Zeitdauer auf der Temperatur gehalten. Dann wird
der Tisch 101 von der zweiten Position in die erste Position,
entfernt von Temperkopf, bewegt. Die Ladevorrichtung wird betätigt, um
das Werkstück 14 vom
Tisch 101 aufzunehmen und das Werkstück zum Kühlungsbad 105 zu transportieren,
wo das Werkstück
in das Wasser eingetaucht und in einigen Minuten auf die Außentemperatur
abgekühlt
wird.
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Danach
wird das Werkstück 14 aus
dem Kühlungsbad 105 durch
die Ladevorrichtung herausgezogen, in X-Achsenrichtung transportiert
und auf dem Tisch 106 plaziert. Dann wird das Werkstück 14 zu
einem Fördermittel 107 transportiert.
Danach wird das Werkstück
auf ein automatisch gesteuertes Fahrzeug geladen und in die Produktionslinie
zurückgeführt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezielle, bevorzugte
Ausführungsform
erläutert
wurde, wird ein Fachmann erkennen, daß Modifikationen und Verbesserungen
vorgenommen werden können,
solange man sich innerhalb des Umfangs und der Idee der vorliegenden
Erfindung bewegt. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird allein
durch die angefügten
Ansprüche
bestimmt.