DE1963368B2 - Vorrichtung zum induktiven erwaermen von im wesentlichen rotationssymmetrischen werkstuecken vorzugsweise zum zwecke der oberflaechenhaertung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum in- durch Nebenschlüsse ist apparativ aber sehr aufwenduktiven Erwärmen, vorzugsweise zum Zwecke der dig und bringt durch die Steuerspule unerwünschte Oberflächenhärtung von zumindest angenähert zusätzliche Energieverluste mit sich; sie kann ferner rotationssymmetrischen Werkstücken, die insbeson- mit Erfolg auch nur bei Induktionsspulen, die das dere einen Schaft und einen Teil größeren Durch- 5 Werkstück umschließen, angewandt werden,
messers als dieser Schaft aufweisen, mit Hilfe eines Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,

Induktors, der zwei zumindest im wesentlichen in eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zu-Richtung der Werkstückachse verlaufende Heizleiter mindest im wesentlichen rotationssymmetrischen aufweist, die im Bereich des Werkstückteiles größeren Werkstücken anzugeben, welche die Nachteile der Durchmessers zu einer Heizleiterschleife verbunden io bekannten bzw. bereits vorgeschlagenen Vorrichtunsind, welche über einen zugehörigen Heizstromüber- gen nicht aufweist.

tragungskreis von einem Wechselstromgenerator ge- Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist gekenn-

speistwird. zeichnet durch mindestens eine zweite Heizstrom-

Vorrichtungen dieses Typs sind unter anderem aus einspeisung mit Anschlüssen an der Heizleiterschleife, der französischen Patentschrift 1 553 475 der An- 15 einen mit diesen Anschlüssen verbundenen zugehörimelderin bekannt und werden vorteilhaft zum induk- gen zweiten Heizstromübertragungskreis und durch tiven Oberflächenhärten von Werkstücken, z. B. Schaltmittel, die gestatten, dem Induktor Heizstrom Hinterachswellen für Kraftfahrzeuge, verwendet, bei von beiden Heizstromübertragungskreisen gleichzeitig welchen ein langgestreckter Schaft an einem Ende oder auch nur von einem dieser Heizstromüber eine Hohlkehle in einen Flansch übergeht. Die ao Übertragungskreise zuzuführen. Bei gleichzeitiger Einzu härtende Oberflächenschicht erstreckt sich dabei speisung über beide Heizstromübertragungskreise ist über den größten Teil der Schaftoberfläche, die Hohl- die relative Phasenlage der in den Induktor eingespeiskehle und einen Teil der an sie anschließenden ten Heizströme vorteilhaft derart gewählt, daß Flanschoberfläche. Die gewünschte Härtetiefe an den — gegenüber dem Fall der Einfacheinspeisung — in einzelnen Stellen der Werkstückoberfläche wird durch 25 dem von den Anschlüssen der zweiten Heizstromentsprechende örtliche Anpassung des Koppelspaltes, einspeisung ausgehenden Heizleiterschleifenteil, der der Beblechung der Heizleiterschleife des Induktors, mit dem ersten Heizstromübertragungskreis verbunsowie der Formgebung der Heizleiterschleife erzielt. den ist, der Heizstrom verringert und in dem anderen Vorrichtungen dieser Art werden vorzugsweise in Schleifenteil erhöht ist. Dabei weist der von der zweisolchen Anordnungen zum induktiven Oberflächen- 30 ten Heizstromeinspeisung ausgehende Heizleiterhärten verwendet, in denen — um den Induktor in schleifenteil, der mit dem ersten Heizstromübertradie Arbeitsstellung relativ zum Werkstück zu gungskreis verbunden ist, eine wesentlich größere bringen — eine Relativbewegung Induktor zu Werk- Impedanz auf, als der von der gleichen Einspeisung stück senkrecht zur Werkstückachse erforderlich ist. ausgehende andere Heizleiterschleifenteil.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtungen be- 35 Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung über die steht darin, daß der die Hohlkehle heizende Leiterteil bekannten Einrichtungen liegt noch darin, daß auch des Induktors auf eine Länge begrenzt ist, die einer bei einer bereits festliegenden, der Werkstückkontur Umschlingung des Werkstückes von maximal 180° angepaßten Induktorfonn durch Variation der Einentspricht. Diese Länge reicht für die Erzeugung des schaltzeiten und Stromstärken der beiden Induktorvorgeschriebenen Erwärmungsbildes aber oft nicht 40 einspeisungen, bzw. — bei Doppeleinspeisung — aus. auch durch Wahl der relativen Phasenlage der ein-

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde bereits gespeisten Ströme, mehrere frei zu wählende und auf vorgeschlagen, den Heizinduktor aus mindestens zwei einfache Weise veränderbare Parameter zwecks Optigalvanisch voneinander getrennten Heizleiterschleifen mierung des zu erreichenden Härtebildes zur Veraufzubauen. Diese vorgeschlagene Lösung kann aber 45 fügung stehen.

nur dann angewendet werden, wenn die durch die Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Er-

Werkstückgeometrie bedingten räumlichen Verhält- findung sind die Anschlüsse der zweiten Heizstromnisse den Aufbau zweier Heizleiterschleifen gestatten, einspeisung an den sich im wesentlichen in Richtung die in der Lage sind, ein Aufheizbild ungestörter der Werkstückachse erstreckenden Heizleitern anGeometrie zu erzeugen, was aber für den Bereich, in 50 geordnet.

dem sich beide Heizleiterschleifen überdecken, In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der

meistens sehr schwierig zu realisieren ist. Erfindung bildet mindestens eine der Zuleitungen zu

Eine Einrichtung zur induktiven Oberflächen- den Anschlüssen der zweiten Heizstromeinspeisung erwärmung von langgestreckten rotationssymme- eine sich längs der Werkstückoberfläche erstreckende trischen Werkstücken, bei welcher der Oberflächen- 55 zusätzliche Heizleiterschleife.

schicht längs der Werkstückachse verschieden hohe In einer weiteren Anwendungsvariante wird die

Heizleistungen zuzuführen sind, ist ferner aus der erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft zum infranzösischen Patentschrift 1 293 874 bekannt. Diese duktiven Erhitzen von im wesentlichen rotations-Einrichtung enthält eine das Werkstück über seine symmetrischen Werkstücken benutzt, die unter andeganze Länge umschließende Induktionsspule, die 60 rem auch einen angenähert konstanten Durchmesser durch Abzapfungen in Abschnitte unterteilt ist, zu haben können und bei denen jeweils in verschiedenen denen entsprechende Abschnitte einer Steuerspule Werkstückzonen unterschiedliche Erwärmungsbilder, parallelgeschaltet sind. Durch Einstellung der Reak- z. B. Zonen verschieden tiefer Erwärmung, erzeugt tanzen dieser Steuerspulenabschnitte, z. B. durch An- werden sollen.

Ordnung von Magnetkernen verschiedenen Durch- 65 Die Erfindung wird nachstehend an Hand der messers in ihnen, können die Ströme in den einzelnen Figuren, die Beispiele darstellen, eingehend erläutert. Induktorspulenabschnitten unabhängig voneinander Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die

eingestellt werden. Diese Einstellung der Heizleistung wesentlichen Teile einer bevorzugten Ausführung der

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Vorrichtung gemäß der Erfindung. Das zu härtende 20 während einer vorgegebenen Heizperiode dem InWerkstück 1 — eine Hinterachswelle für Kraftfahr- duktor 6 von den Heizstromtransformatoren 11,13 zeuge — ist mit Hilfe von zwei Pinolen 2 eingespannt, Heizströme zugeführt, deren relative Phasenlage so die dem Werkstück während der induktiven Erhit- gewählt ist, daß gegenüber dem Fall der Einzelzung eine Drehbewegung vermitteln. An dieser 5 einspeisung der Heizstrom in dem bogenförmigen Hinterachswelle soll die Oberfläche des Schaftes 3, Leiterelement 8 erhöht und in den axialen Heizdie Hohlkehle4 zum Flansche sowie ein Teil der leitern7 verringert ist. Die zusätzliche Heizleiter-Flanschoberfläche gehärtet werden. schleife 15 bewirkt eine Vorwärmung des Werkstück-

Zum induktiven Erhitzen des Werkstückes 1 dient fiansches 5.

ein Induktor 6, von dem zur besseren Übersichtlich- io Der von den Anschlüssen 12 der zweiten Heizkeit nur die stromführenden Teile dargestellt sind. stromeinspeisung ausgehende Heizleiterschleifenteil, Der Induktor 6 weist zwei im wesentlichen parallel welcher an den Heiztransformator 11 angeschlossen zur Werkstückachse verlaufende Heizleiter 7 auf, die ist, und der von den axial verlaufenden Heizleitern 7, in der Nähe des Werkstückflansches 5 durch ein dem bogenförmigen Leiterelement 10 und den Zubogenförmiges Leiterelement 8 zu einer Heizleiter- 15 leitungen 9 gebildet wird, weist eine wesentlich höhere schleife verbunden sind. Diese Heizleiterschleife ist Induktivität auf, als der andere von diesen Anschlüsam anderen Ende des Schaftes 3 über eng aneinander- sen 12 ausgehende Heizleiterschleifenteil, der aus dem liegende Zuleitungen 9 und ein weiteres bogenförmi- bogenförmigen Leiterelement 8 besteht. Aus diesem ges Leiterelement 10 an den Ausgang eines Heiz- Grunde ist bei Doppeleinspeisung der Betrag der Stromtransformators 11 angeschlossen. Auf den Heiz- 20 Heizstromerhöhung wesentlich höher als der Betrag leitern 7 sind an der Stelle, an der sie durch das der Heizstromverringerung in den axialen Heizbogenförmige Leiterelement 8 miteinander verbunden leitern 7.

sind, die Anschlüsse 12 einer zweiten Heizstrom- Durch die Einspeisung an zwei verschiedenen Stei-

einspeisung vorgesehen, über welche von einem zwei- Ien der Heizleiterschleife kann das Erwärmungsbild ten Heizstromtransformator 13 über zwei Zuleitun- 25 in den zwei Erwannungszonen auf einfache Weise gen 14 der Heizleiterschleife Heizstrom zugeführt unabhängig voneinander optimiert werden. In einigen werden kann. Eine dieser Zuleitungen 14 bildet dabei Fällen ist es günstig, am Ende der Aufheizperiode eine zusätzliche Heizleiterschleife 15, die sich über eine zusätzliche Heizperiode anzuschließen, in der die Oberfläche des Werkstückflansches 5 erstreckt. dem Induktor 6 Heizstrom nur über einen der Heiz-

Die Heizstromeinspeisung erfolgt nach dem in 30 stromtransformatoren 11,13 zugeführt wird. Fig. 2 dargestellten Schaltschema. Ein Mittel- Durch die Möglichkeit, während des Aufheizens

frequenzgenerator 16 speist jeweils über einen von über beide Heizstromübertragungskreise oder auch einem Zeitrelais 17,18 gesteuerten Schalter 19, 20 nur über einen von diesen dem Induktor Heizstrom die Heizstromtransformatoren 11,13, zu denen—wie zuzuführen, wird die Anzahl der Freiheitsgrade, die üblich — primärseitig Kondensatoren 21, 22 zur 35 zur Erreichung einer optimalen Erhitzung der einzel-Blmdstromkompensation parallel geschaltet sind. nen Oberflächenbereiche variiert werden können, Sekundärseitig sind die Heizstromtransformatoren gegenüber dem Fall mit nur einer Einspeisungsstelle 11,13 über Zuleitungen 9 und das Leiterelement 10 erheblich vermehrt, ohne daß Änderungen an der direkt bzw. über die Zuleitungen 14 unter Bildung Konstruktion bzw. Geometrie des Induktors nötig einer zusätzlichen Schleife 15 an die Heizleiterschleife 40 sind.
7,8 angeschlossen. Nach erfolgter induktiver Erhitzung wird der In-

Der Transport der Werkstücke durch die einzelnen duktor 6 zurückgezogen und das Werkstück 1 durch für das verwendete Härteverfahren erforderlichen eine Teildrehung des Trägersternpaares 23 um weitere Beabeitungstationen erfolgt auf an sich bekannte 120° in die im Abschreckbad 27 gelegene Abschreck-Weise, z. B. mit Hilfe eines in der Fi g. 3 schematisch 45 und Entladestation 28 gebracht, wo es nach erfolgter dargestellten Trägersternpaares 23. Dieses Träger- Abschreckung von dem Pinolenpaar 2 freigegeben sternpaar 23 weist drei Tragarmpaare 24 auf, die je und durch eine geeignete Transporteinrichtung abmit einem Pinolenpaar 2 versehen sind, und dient geführt wird.

dazu, die Werkstücke an der Ladestation 25 zwischen In einer weiteren Ausführungsvariante soll eine

ein Pinolenpaar 2 aufzunehmen und sie danach nach- 50 Hinterachswelle (Fig. 4) gehärtet werden, bei der einander in die Heizstation 26, in der die induktive zwischen einem leicht konischen, schlanken Schaft 29 Erhitzung erfolgt, und schließlich in die in einem und einem Flansch 30 eine zylindrische Lagerstelle Abschreckbad 27 gelegene Abschreck- und Entlade- 31 angeordnet ist, die einen Durchmesser aufweist, station 28 zu verbringen. der größer ist als der Schaftdurchmesser. Die Härte-

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet nun auf fol- 55 zone soll sich dabei über den ganzen Schaft 39, die gende Weise: Lagerstelle und einen Teil der Hohlkehle 32 zwischen

Das zu härtende Werkstück 1 wird der Ladestation Lagerstelle 31 und Flansch 30 erstrecken. (F i s. 3) zugeführt, an der es in dem gerade an- Zur induktiven Erhitzung dient ein Induktor 33

stehenden Pinolenpaar 2 des Trägersternpaares 23 (Fig. 5), von dem — ähnlich wie bei der Variante eingespannt wird. Durch eine Teildrehung des Träger- 60 nach F i g. 1 — zur besseren Übersichtlichkeit nur die Sternpaares 23 um 120° wird das Werkstück 1 in die stromführenden Teile dargestellt sind. Heizstation 26 transportiert, wonach der Induktor 6 Dieser Induktor 33 weist zwei sich im wesentlichen

durch eine Bewegung senkrecht zur Werkstückachse in axialer Richtung erstreckende und an die Werkin seine Arbeitsstellung über dem Werkstück 1 ge- Stückkontur anpassende Heizleiter 34 auf, die im bracht wird. 65 Bereich der Hohlkehle 32 (F i g. 4) durch ein bogen-

Danach erfolgt die induktive Erhitzung der zu här- förmiges Leiterelement 35 zu einer Heizleiterschleife tenden Oberflächenschicht. Dazu werden mit Hilfe verbunden sind, welche am anderen Ende — analog der von dem Zeitrelais 17,18 gesteuerten Schalter 19, wie bei der Variante nach F i g. 1 — über zwei eng

aneinanderliegende Zuleitungen 36 direkt bzw. über ein bogenförmiges Leiterelement 37 von einem in der Figur nicht dargestellten Heizstromübertragungskreis gespeist wird. An der Stelle, an der der schlanke Schaft 29 des Werkstückes in die zylindrische Lagerstelle 31 größeren Durchmessers übergeht, sind an den beiden sich in axialer Richtung erstreckenden Heizleitern 34 die Anschlüsse 38 einer zweiten Einspeisungsstelle vorgesehen, in welche von einem zweiten Heizstromübertragungskreis über zwei nahe aneinanderliegende Zuleitungen 39 und ein bogenförmiges, eine zusätzliche Heizleiterschleife bildendes Leiterelement 40, Heizstrom zugeführt wird. Auch bei dieser Ausführungsvariante ist die relative Phasenlage der an den zwei Einspeisungsstellen zugeführten Heizströme derart, daß gegenüber dem Fall der Einzeleinspeisung der Heizstrom in dem bogenförmigen Leiterelement 35 erhöht und in den axial verlaufenden Heizleitern 34 verringert wird.

Der Betrieb dieser Vorrichtung erfolgt ähnlich, wie bei der Variante gemäß Fig. 1.

Gemäß einer weiteren Anwendungsvariante wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht nur an Werkstücken angewandt, die einen Schaft und einen Teil größeren Durchmessers als dieser Schaft aufweisen, sondern auch an Werkstücken, die z. B. einen angenähert konstanten Durchmesser haben; und zwar dann, wenn in verschiedenen Zonen des Werkstückes stark voneinander verschiedene Erwärmungsbilder erzeugt werden sollen, beispielsweise also Zonen mit stark verschiedener Erwärmungstiefe. Dieses ist z. B. der Fall, wenn ein Gewindezapfen am Ende des Werkstückes über den ganzen Querschnitt und im übrigen Werkstückbereich nur eine Oberflächenschicht erwärmt werden soll.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die Einspeisung an mindestens zwei verschiedenen Stellen der Heizleiterschleife das gewünschte Erwärmungsbild auch bei relativ großen Kopplungsabständen zwischen Heizleiterschleife und Werkstück erreicht werden kann. Ein relativ großer Kopplungsabstand hat nämlich den Vorteil, daß die unvermeidlichen Maßtoleranzen der Werkstücke nur einen geringen Einfluß auf das Erwärmungsbild haben und so eine gleichmäßige Qualität der gehärteten Werkstücke erreicht wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum induktiven Erwärmen, vorzugsweise zum Zwecke der Oberflächenhärtung, von zumindest angenähert rotationssymmetrischen Werkstücken, die insbesondere einen Schaft und mindestens einen Teil größeren Durchmessers als dieser Schaft aufweisen, mit Hilfe eines Induktors, der zwei zumindest im wesentlichen in Richtung der Werkstückachse verlaufende Heizleiter aufweist, die im Bereich des Werkstückteiles größeren Durchmessers zu einer Heizleiterschleife verbunden sind, welche über einen zugehörigen Heizstromübertragungskreis von einem Wechselstromgenerator gespeist wird, gekennzeichnet durch mindestens eine zweite Heizstromeinspeisung mit zwei Anschlüssen (12, 38) an der Heizleiterschleife, einen mit diesen Anschlüssen (12, 38) verbundenen zugehörigen zweiten Heizstromübertragungskreis und durch Schaltmittel (19,20), die gestatten, dem Induktor (6, 33) Heizstrom von beiden Heizstromübertragungskreisen gleichzeitig oder auch nur von einem dieser Heizstromübertragungskreise zuzuführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Einspeisung über beide Heizstromübertragungskreise die rela- { tive Phasenlage der in dem Induktor (6, 33) eingespeisten Heizströme derart gewählt ist, daß gegenüber dem Fall der Einzeleinspeisung in dem von den Anschlüssen (12, 38) der zweiten Heizstromeinspeisung ausgehenden Heizleiterschleifenteil, der mit dem ersten Heizstromübertragungskreis verbunden ist, der Heizstrom verringert und in dem anderen Schleifenteil erhöht ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der zweiten Heizstromeinspeisung ausgehende Heizleiterschleifenteil, der mit dem ersten Heizstromübertragungskreis verbunden ist, eine wesentlich größere Impedanz aufweist, als der von der gleichen Einspeisung ausgehende andere Heizleiterschleifenteil.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (12, 38) der zweiten Heizstromeinspeisung an den sich im wesentlichen in Richtung der Werkstückachse erstreckenden Heizleitern (7, 34) angeordnet sind.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Zuleitungen (14, 39) zu den Anschlüssen (12, 38) der zweiten Heizstromeinspeisung eine sich längs der Werkstückoberfläche erstreckende zusätzliche Heizleiterschleife (15, 40) bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen