DE19636216C2

DE19636216C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erhitzung von Werkstücken

Info

Publication number: DE19636216C2
Application number: DE19636216A
Authority: DE
Inventors: Heinz Autenrieth; Hubert Singer; Friedrich Dausinger; Eckart Von Roda
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2001-12-06
Anticipated expiration: 2016-09-07
Also published as: DE19636216A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Das Härten von Werkstücken durch Erhitzung mit Hilfe von Induktoren, d. h. mittels Stromschleifen, die von einem hochfrequenten Strom durchflossen werden, ist vor allem bei Werkstücken aus Stahl allgemein bekannt. Die Grundlagen des Induktionshärtens sind beispielsweise im Lueger-Lexikon der Technik Hand 32, Seite 469, beschrieben. Der Induktionsstrom wird mittels einer Stromschleife (Induktor), die beispielsweise aus einem wassergekühlten Kupferrohr besteht, eingeleitet. Über das induzierte Magnetfeld wird das Werkstück in der Härtezone erhitzt. Anschließend wird die Härtezone mittels Wasser oder einer sonstigen Abschreckflüssigkeit schlagartig gekühlt und abgeschreckt.

Auf vergleichbare Weise können auch andere mit einer Erhitzung einhergehende Arbeitsvorgänge, z. B. das Löten von Metallteilen, bewerkstelligt werden.

Bei bekannten Vorrichtungen zum Induktionshärten oder auch zum Induktionslöten wird die in der Erhitzungszone benötigte Heizleistung über die Variation des Induktionsstroms sowie der Frequenz eingestellt. Außerdem werden die Induktionsschleifen bei bestimmten Anwendungsfällen dem Werkstück in ihrer Form angepaßt und der Induktorquerschnitt so ausgelegt, dass die entstehende Verlustwärme durch HF- Strom über das durchfließende Kühlwasser abgeführt werden kann. Der Luftspalt zwischen Werkstück und Induktionsschleife wird möglichst gering gehalten, um das Werkstück in einem Bereich erhöhter magnetischer Flußdichte zu halten. Von der Dichte des magnetischen Flusses in der Härtezone hängt der Betrag der im Werkstück induzierten Ströme und somit unmittelbar der Wirkungsgrad des Induktors ab.

Aus der DE-AS 10 15 159 ist ein Induktor zum Erwärmen von gekrümmten Oberflächen bekannt, bei dem die Leiter einer Induktorschleife bzw. Induktorspule aus einem Rohr bestehen, in dem ein Kühlmittel geführt wird. Im Zentrum der Induktionsschleife bzw. Induktionsspule ist ein Eisenkern als Feldformelement ausgebildet.

Aus der FR 715 434 geht ein Induktor mit verschiedenen Feldformelementen hervor, wobei um die Feldformelemente eine Induktionsspule gelegt ist.

Die DE-PS 887 085 beschreibt eine Vorrichtung zum Oberflächenhärten von Werkstücken mittels Heizleiterschleifen, die der Oberfläche des Werkstücks speziell angepaßt sind und dadurch unterschiedliche Oberflächenhärtezonen am Werkstück erzeugen.

Aus dem DE-GM 91 10 415 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Härten von Oberflächen mittels eines Hochfrequenzfeldes mit einem Induktor und einem Feldformelement bekannt. Um zwischen Induktor und Feldformelement einen guten Wärmefluß zu gewährleisten, ist zwischen diesen Bauteilen eine Wärmeleitpaste eingebracht.

Ein zum Einsatz in Induktionsspulen geeignetes magnetisches Feldformelement aus einem ferromagnetischen Material geht aus der EP-A2 653 899 hervor.

Ferner ist aus der DE 40 31 955 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Tiefkühlen elektrischer Hohlleiter mit einer stromdurchflossenen Spule bekannt. Der elektrische Hohlleiter fungiert dabei als Verdampfungsrohr.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, den Wirkungsgrad bekannter Induktoren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Erhitzung von Werkstücken, insbesondere zum Induktionshärten oder Induktionslöten der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Induktor wird, wie bekannt, in vorteilhafter Weise in Form einer Induktionssschleife aus einem Hohlrohr, bevorzugt einem Kupferrohr oder auch einem Silberrohr (bester elektrischer Leiter und damit kleine I² R Verluste) gebildet. Um eine hohe Kühlleistung zu erreichen, wird hierbei eine sogenannte Siedekühlung vorgesehen.

Dadurch ist auch bei kleinem Rohrdurchmesser mit geringer Wandstärke und somit entsprechend kleiner Bauweise des Induktors eine ausreichende Kühlung möglich.

Durch die Kurzzeitimpulse mit hoher Itensität bei dem oben angeführten Impulsbetrieb kommt es zu einer Verdampfung des Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, wodurch aufgrund der Verdampfungswärme eine erheblich größere Wärmemenge durch das Kühlmittel aufgenommen wird als bei der Durchströmung in flüssigem Aggregatzustand. Dabei ist es problemlos möglich, einen drucklosen Kühlkreislauf zu verwenden, wodurch wiederum geringere Wandstärken des Induktorrohrs verwendbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass ein Feldformelement vorgesehen ist.

Derartige Feldformelemente bestehen aus je nach Anwendungsfall geformten Körpern aus einem Material mit entsprechend hoher magnetischer Permeabilität und relativ kleinen magnetischen Verlusten (auch Watt- oder Eisenverluste genannt). In derartigen Körpern wird der magnetische Fluß gebündelt. Dieser Effekt wird beispielsweise für magnetische Abschirmungen oder auch bei Elektromagneten oder Transformern genutzt.

Auch bei Induktorschleifen kann gemäß der Erfindung durch das Anbringen eines Feldformelementes das Magnetfeld derart beeinflußt werden, daß im Bereich der Erhitzungszone, z. B. einer Härtezone eines zu härtenden Werkstücks die Flußdichte des induzierten Magnetfeldes verstärkt ist.

Vorteilhafterweise wird das Feldformelement aufgrund der Anforderungen an die magnetische Permeabilität aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus einem Ferrit (z. B. Carbonyleisen mit hoher Dichte gepreßt) gefertigt. Diese Materialien sind problemlos im Handel erhältlich und eignen sich vorzüglich für die Beeinflussung eines Magnetfeldes.

Vorzugsweise wird das Feldformelement als Kern einer Induktorwicklung ausgebildet. Hierdurch wird der magnetische Fluß im Innern des Induktors verstärkt.

Bei einer Anordnung des Werkstücks auf der Stirnseite eines von einer Induktorschleife umgebenen Feldformelementes wird die erfindungsgemäße Wirkung, d. h. die Verstärkung der in dem Werkstück induzierten Ströme dadurch bewirkt, daß der magnetische Fluß in dem im Zentrum des Induktors befindlichen Feldformelement konzentriert ist.

Auch bei einer Anordnung des Werkstücks an der Außenseite einer Induktionsschleife mit einem erfindungsgemäßen Feldformelement im Innern ergibt sich jedoch die gewünschte Wirkung durch die entsprechende Beeinflußung des Magnetfeldes.

Vorteilhafterweise wird ein obenbeschriebenes Feldformelement eines Induktors mit einem Fortsatz versehen, der aus der Induktorschleife herausweist. Dieser Fortsatz des Feldformelements kann an den jeweiligen Einsatzort in seiner Form angepaßt werden.

Für die Randzonenhärtung kleiner Bohrungen hat sich beispielsweise eine Querschnittsverjüngung des Fortsatzes als vorteilhaft erwiesen. Dieser Fortsatz, der gegebenenfalls sogar in die entsprechende Bohrung bei der Härtung eintauchen kann, bündelt und leitet die magnetischen Feldlinien mit der gewünschten Dichte in die jeweilige Erhitzungszone. Ein derart ausgebildetes Feldformelement kann beispielsweise auch beim Löten von kleinen Lötstellen von Vorteil sein.

Es hat sich als günstig erwiesen, bei der Ausbildung eines derartigen Fortsatzes eines Feldformelementes kontinuierliche Querschnittsübergänge vorzusehen. Bei der Fortsetzung eines zylindrischen Feldformelementes im Innern eines Induktors zu einem ebenfalls zylindrischen Fortsatz mit kleinerem Durchmesser hat sich ein entsprechender Übergangskonus bewährt. Dieser Konus, der bezüglich der Induktorachse in einer besonderen Ausführungsform eine Neigung zwischen 30° und 60° aufweist, stellt einen derartigen kontinuierlichen Übergang für die Querschnittsverjüngung dar, so daß die in dem Feldformelement gebündelten Magnetfeldlinien der allmählich sich ändernden Außenkontur des Feldformelementes weitgehend folgen können.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden bei dem Einsatz eines erfindungsgemäßen Induktors zum Härten (Mittel) eine Selbstabschreckung des Werkstückes vorgesehen.

Dies ist aufgrund des hohen Wirkungsgrades eines erfindungsgemäßen Induktors dadurch möglich, daß ein Impulsbetrieb mit vergleichsweise kurzen Impulsdauern (Rechteckimpuls, abklingende Flanke muß steil sein) vorgesehen wird. Hierdurch wird in sehr kurzer Zeit die Härtungszone auf die notwendige Austenitisierungstemperatur erhitzt, wobei die Erwärmung so schnell vor sich geht, daß der übrige Teil des Werkstücks nicht nennenswert erwärmt wird. Durch den normalen Wärmefluß in den restlichen Teil des Werkstücks wird sodann die Härtezone abgeschreckt.

Eine derartige Selbstabschreckung ist, wie beschrieben, durch einen Impulsbetrieb möglich, bei dem pro Härtung ein Induktionsimpuls verwendet wird. Die Selbstabschreckung erspart einen erheblichen Aufwand für das Abschrecken der Härtezone, wobei der Einpulsbetrieb kurze Härtungszeiten mit sich bringt, was sich besonders bei der Massenfertigung vorteilhaft bemerkbar macht.

Bei einem Stahl, bei dem eine längere Erhitzung für die Lösung der Kohlenstoffatome (die sogenannte Austenitisierung) benötigt wird, kann jedoch auch ein Mehrpulsbetrieb von Vorteil sein, um weiterhin mit dem Prinzip der Selbstabschreckung zu arbeiten. Hierbei sollten die Impulsabstände so weit auseinanderliegen, daß das Werkstück in ausreichendem Maße abkühlen kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Härtezone stufenweise von Impuls zu Impuls mit zunehmender Austenitisierung gehärtet.

Eine gute Selbstabschreckung wurde je nach Werkstück und Material mit Impulsdauern zwischen 10 und 400 msec erzielt.

Für eine Anwendung ohne die Notwendigkeit der oben angeführten Selbstabschreckung können jedoch ohne weiteres längere Pulsdauern, beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 2 sec vorgesehen werden. Derartige längere Impulszeiten eignen sich besonders auch zum Löten mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Induktors.

Die Frequenz, mittels der die Ströme des Induktors generiert werden, wird bevorzugt der Induktorgeometrie und damit der Form der Härtezone sowie dem Material angepaßt. Beim Randschichthärten von Bohrungen werden beispielsweise bei kleineren Bohrungsdurchmessern höhere Frequenzen gewählt als bei größeren Bohrungsdurchmessern. Typische Frequenzen bewegen sich hierbei in einer Größenordnung zwischen 10 kHz und 10 MHz.

Beim Randschichthärten von Bohrungen mit Hilfe eines Induktors, der ein Feldformelement mit einem querschnittsverjüngten Fortsatz wie oben beschrieben aufweist, hat sich gezeigt, dass das Ergebnis unter anderem auch vom Verhältnis des Durchmessers des Feldformelements im Innern des Induktors zum Durchmesser des an die Bohrung heranzubringenden bzw. in die Bohrung einzutauchenden Fortsatzes abhängt. Als vorteilhaft hat sich hierbei ein Verhältnis von 5 : 2 erwiesen, wobei durchaus auch andere Verhältnisse befriedigende Ergebnisse liefern können.

Die Eintauchtiefen des Feldformfortsatzes brauchen nicht groß gewählt zu werden, da die magnetischen Feldlinien über den Luftspalt des Feldformfortsatzes über die Bohrungsoberkante zurückfließen.

Die Ströme für den Induktor werden bevorzugt in der Größe zwischen 500 A und 1000 A bei Spannungen zwischen 50 und 150 V gewählt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktors und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform.

Der Induktor 1 gemäß Fig. 1 umfaßt eine Induktionsspule 2 in Form eines wendelförmig aufgewickelten Metallrohrs, vorzugsweise aus Kupfer oder Silber. An der Anschlußseite 3 des Induktors 1 stehen die zwei Anschlußstücke 4, 5 der Induktionsspule 2 in achsenparalleler Richtung ab. Das äußere Anschlußstück 4 geht unmittelbar in die Wicklungen der Induktionsspule über, während das zentrische Anschlußstück 5 die Induktionsspule 2 axial durchsetzt und somit auf der der Anschlußseite 3 gegenüberliegenden Gegenseite 6 über einen Bogen 7 in die Wendel der Induktionsspule 2 übergeht.

Das Anschlußstück 5 durchsetzt in axialer Richtung der Induktionsspule 2 zugleich ein Feldformelement 8, das bevorzugt aus Ferrit besteht. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Anschlußstück 5 sowohl über einen Luftspalt 9 als auch über einen dünnen Isolierschlauch 10 vom Feldformelement 8 isoliert. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform liegt der Isolierschlauch 10 am Feldformelement 8 an und besteht aus möglichst wärmeleitendem Material, um neben der elektrischen Isolation auch eine Wärmeabfuhr vom Feldformelement 8 im Innern des Induktors 1 zu gewährleisten.

Am Außenumfang 11 des Feldformelements 8 ist die Induktionsspule 2 mit einer Vergußmasse 12 vergossen. Diese Vergußmasse 12 sollte ebenfalls wärmeleitende Eigenschaften aufweisen und besteht im beschriebenen Ausführungsbeispiel aus einem mit Al₂O₃-Pulver vermischten 2-Komponenten-Harz. Anstelle von Al₂O₃-Pulver können auch andere Zusätze, insbesondere andere Oxidkeramiken verwendet werden. Das Vergießen des Induktors 1 findet bevorzugt im Vakuum statt, um den Einschluß von Luftblasen zu verhindern. Das beigemischte Keramikpulver dient hierbei zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Vergußmasse 12.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist derart einsetzbar, daß das Werkstück an der Außenseite der Wendel angeordnet wird. Durch das Feldformelement 8 im Innern der Induktionsspule 2 liegt gegenüber einer Induktionsspule ohne Feldformelement in unmittelbarer Nähe an der Außenseite der Induktionsspule 2 ein Bereich mit erhöhter magnetischer Flußdichte vor. Hierdurch wird der Wirkungsgrad, d. h. der Energieanteil, der in Form von Wärme in die Härtezone des entsprechenden Werkstücks eingebracht wird, erhöht. Diese Verbesserung des Wirkungsgrades kann beispielsweise durch eine Verringerung des Induktionsstroms zur Energieeinsparung oder auch zur Verkürzung der Induktionszeiten genutzt werden, um einen Selbstabschreckungseffekt des Werkstücks zu bewirken.

Die Ausführungsform des Induktors 1 gemäß Fig. 2 entspricht grundsätzlich dem vorgenannten Ausführungsbeispiel.

Allerdings sind vorliegend beide Anschlußstücke 13, 14 seitlich von der Induktionsspule 2 angeordnet. Hierdurch wird das Feldformelement 15 im Innern der Induktionsspule 2 nicht mehr von einem Anschlußstück durchsetzt. Die Induktionsspule 2 ist wie im vorgenannten Ausführungsbeispiel mittels einer Vergußmasse 12 am Feldformelement 15 vergossen. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Werkstück 16 auf der der Anschlußseite 3 des Induktors 1 gegenüberliegenden stirnseitigen Werkstückseite 17 des Induktors 1 angeordnet. Auf der Werkstückseite 17 setzt sich das Feldformelement 15 über eine konusförmige Querschnittsverjüngung 18 in einen Fortsatz 19 fort. Der Fortsatz 19 taucht mit einer bestimmten Eintauchtiefe s in eine Bohrung 20 des Werkstücks 16, deren Randzone 21 zu härten ist.

In dieser Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die Bündelung der Magnetfeldlinien im Kern der Induktionsspule 2 durch das Feldformelement 15 ausgenutzt und über die Querschnittsverjüngung 18 in eine enge Bohrung 20 eingeleitet. Durch diese Feldformung ist es möglich, über einen Induktor 2 eine Randzonenhärtung bei Bohrungen durchzuführen, deren Durchmesser so klein ist, daß aufgrund der bauartbedingten minimalen Größe eines Induktors eine induktive Härtung der Randzone bislang nicht möglich war.

Für eine möglichst kleine Bauart des erfindungsgemäßen Induktors werden bevorzugt Kupfer- oder Silberrohre mit möglichst kleinem Außendurchmesser, beispielsweise einem Außendurchmesser von 0,8 mm, verwendet. Die Wandstärke sollte für eine gute Kühlfunktion entsprechend dünn, beispielsweise bis zu 0,1 mm, gewählt werden.

Je nach Einsatzgebiet, beispielsweise je nach dem Durchmesser der Bohrung 20, ist das Feldformelement 15 anzupassen. Von großer Bedeutung ist hierbei das Verhältnis der Durchmesser D des Feldformelements 15 im Innern der Induktionsschleife 2 zu dem Durchmesser d des in die Bohrung 20 eintauchenden Fortsatzes 19. Bewährt hat sich hierbei für die Randzonenhärtung von Bohrungen von bis zu 5 mm oder größer ein Verhältnis von ca. 5 : 2. Je größer der Durchmesser D des Feldformelementes 15 und somit auch der Induktionsspule 2 wird, desto flacher verläuft das zugehörige Magnetfeld beim Induktionshärten, wodurch der wirksame Durchmesser, d. h. die Härtungszone im Werkstück, größer wird.

Der Tiefeneffekt in axialer Richtung ist je nach Ausführungsform begrenzt. Er endet bei einer Ausführungsform, wie beschrieben, bei ca. 1 mm bis 0,5 mm. Die Eindringtiefe wird daher in diesem Fall bevorzugt nicht über 1 mm gewählt. Je nach Anordnung kann bei einer größeren Eindringtiefe keine höhere Effizienz bewirkt werden.

Auch die Frequenz des aufgebrachten Induktionsstroms ist dem Durchmesser der Bohrung 20 anzupassen. Hierbei gilt die Grundregel, daß die Frequenz umso höher gewählt wird, je kleiner die Bohrung 20 ist. Bevorzugte Frequenzbereiche sowie Betriebsdaten zu Strom und Spannung wurden bereits weiter oben angeführt. 1 Induktor
2 Induktionsspule
3 Anschlußseite
4 Anschlußstück
5 Anschlußstück
6 Gegenseite
7 Bogen
8 Feld
9 Luftspalt
10 Isolierschlauch
11 Außenumfang
12 Vergußmasse
13 Anschlußstück
14 Anschlußstück
15 Feldformelement
16 Werkstück
17 Werkstückseite
18 Querschnittsverjüngung
19 Fortsatz
20 Bohrung
21 Randzone

Claims

1. Vorrichtung zur Erhitzung von Werkstücken, insbesondere zum Härten oder Löten, mit einem Induktor (1) und einem Frequenzgenerator zur Stromversorgung des Induktors und mit einem Feldformelement (8, 15), wobei das Feldformelement (8, 15) wenigstens teilweise im Zentrum einer Induktionsschleife oder Induktionsspule (2) angeordnet ist und wobei die Leiter der Induktionsschleife bzw. Induktionsspule (2) wenigstens teilweise aus einem Rohr bestehen, in dem ein Kühlmittel geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (1) in einem Impulsbetrieb mit hoher Intensivität betreibbar ist, derart, dass zur Siedekühlung das Kühlmittel im Rohrinneren der Induktionsschleife bzw. der Induktionsspule (2) verdampft.

2. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldformelement (8, 15) ein Ferrit ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldformelement (8, 15) einen Fortsatz (19) in axialer Richtung aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (19) eine Querschnittsverjüngung (18) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Selbstabschreckung des Werkstücks (16) vorgesehen sind.