DE3818679A1 - Vorrichtung zur oberflaechenhaertung von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ober­ flächenhärtung von Werkstücken mit glatten Hüllkurven oder Kulissenbahnen durch elektrische Induktion mit einem Kleinflächeninduktor im Umlaufbetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Materialhärtung durch elektrische Induktion ist es erforderlich den Koppelabstand zwischen Induk­ tor und Werkstück möglichst genau konstant zu halten, um ein homogenes Härteergebnis zu erreichen. Aus OS-DE 30 08 374 ist ein halbschalenförmiger Forminduktor bekannt, der im Koppelabstand von der Werkstückober­ fläche angeordnet ist. Ein solcher für ein bestimmtes Werkstück konstruierter und angepaßter Forminduktor wird vorzugsweise bei Großserienfertigungen einge­ setzt.

In der Kleinserienfertigung werden häufig Kleinflä­ cheninduktoren benutzt, die in der Regel im Umlauf­ verfahren mit einer Kopier- oder Konturtechnik über eine Meisterkurve oder ein Vergleichsnormal gesteuert werden. Eine solche Härteanlage ist aus dem Firmen­ katalog FDF - Sondermaschinen für induktive Erwärmung 1984 der Anmelderin bekannt.

Der Einsatz eines speziellen Forminduktors für jedes zu bearbeitende Werkstück kommt in der Kleinserien­ fertigung aus Kostengründen nicht in Betracht. Daher wird die Form des zu bearbeitenden Werkstückes mecha­ nisch an einem Vergleichsnormal oder optoelektronisch an einer Meisterzeichnung abgetastet und ein Klein­ flächeninduktor zeitgleich in derselben Lage zum zu bearbeitenden Werkstück im Koppelabstand geführt. Die mechanische oder elektromechanische Steuerung des Kleinflächeninduktors wirkt in der Regel auf einen Antrieb, der das Werkstück oder den Kleinflächen­ induktor gegenüber dem Kleinflächeninduktor bzw. dem Werkstück verschiebt. Dabei geschieht die zeitliche Abtastung üblicherweise durch eine Drehung des Ver­ gleichsnormals oder der Meisterzeichnung um eine Achse, die auf der zuvor benannten Verschieberichtung rechtwinklig steht und die von der zu härtenden Hüllkurve oder Kulissenbahn umschlossen wird. Die konstante Drehgeschwindigkeit des Vergleichsnormals und damit des Werkstückes um diese Achse führt bei beliebigen glatten Hüllkurven oder Kulissenbahnen des Werkstückes zu nichtkonstanten Relativgeschwindig­ keiten zwischen dem Kleinflächeninduktor und dem gerade in Bearbeitung befindlichen Teil der Werkstück­ oberfläche. Außerdem verändert sich dann bei obigen Hüllkurven oder Kulissenbahnen der Winkel zwischen der Tangentialebene der in Bearbeitung befindlichen Ober­ fläche des Werkstückes und der Verlängerung der Haupt­ achse des Kleinflächeninduktors. Beide Phänomene führen zu ungleichmäßigen Härteverläufen und Ein­ härtetiefen der bearbeiteten Oberfläche.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es erlaubt, Kleinserien von Werkstücken mit glatten Hüllkurven oder Kulissenbahnen mit einer zur Kopiertechnik vergleichbaren Flexibilität und mit einem bisher nur im Forminduktor qualitativ zu erreichenden Härte­ ergebnis zu härten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Durch die Kopplung der beiden vom zweiten und dritten Antrieb beeinflußten Longitudinalbewegungen und der vom ersten Antrieb gesteuerten Drehbewegung kann der Kleinflächeninduktor an einer glatten Hüllkurve oder Kulissenbahn mit konstanter Oberflächenrelativ­ geschwindigkeit vorbeigeführt werden. Durch die spezielle Art der Kopplung der zwei Bewegungs­ richtungen und der Bewegungsachse kann zudem der Winkel zwischen der Hauptrichtung des Kleinflächen­ induktors und der Tangentenebene des gerade in Be­ arbeitung befindlichen Teils der Werkstückoberfläche konstant gehalten werden. Dies gestattet es einen homogenen Härteverlauf zu erreichen, was bei Klein­ serien eine kostengünstige Alternative bei hoher Härtungsgüte gegenüber dem Einsatz eines Forminduk­ tors bietet.

Eine besonders große Anzahl von unterschiedlichen Werkstücken kann gehärtet werden, wenn ein zylin­ drisches Kopfstück im Kleinflächeninduktor verwendet wird, dessen Hauptachse parallel zur Tangentialebene steht, die durch die Induktorwirklinie und die zu härtende Werkstückoberfläche aufgespannt wird, und dessen Durchmesser nicht größer ist als die Differenz des Radius des engsten Kurvenstückes der zu härtenden Werkstückoberfläche minus dem Koppelabstand. Es lassen sich dann Werkstücke härten, deren engster Kurven­ radius auf der Hüllkurve oder Kulissenbahn nur um den Koppelabstand größer ist als der Durchmesser des Kopfstückes des Kleinflächeninduktors. Wenn das Kopfstück zudem eine Breite aufweist, die in etwa der Breite der zu härtenden Hüllkurve oder Kulissenbahn entspricht, wird das Härteergebnis in bezug zur einge­ speisten elektrischen Leistung optimal.

Der Kleinflächeninduktor wird von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel durchströmt, das zur Ab­ schreckung des Werkstückes durch Bohrungen im Kopf­ stück des Kleinflächeninduktors, die in einem Winkel von etwa 50° zur Horizontalebene der Induktorwirkachse des Kleinflächeninduktors unterhalb dieser angeordnet sind, auf die Kurvenfläche gespritzt wird. Die sofor­ tige Abschreckung nach der Erwärmung erzielt den gewünschten Härtungseffekt. Im Falle einer Flüssigkeit oder eines Gases mit einer größeren Dichte als das umgebende Medium als Kühlmittel strömt dieses in der Folge durch die Schwere nach unten und entfernt sich weiter vom Erwärmungsbereich des Kleinflächeninduk­ tors.

Durch Anbringung von ferritischem Material auf der der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche abgewandten Seite des Kopfstückes wird die stromführende Oberfläche des Kopfstückes auf eine Teiloberfläche beschränkt, die der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zugewandt ist. Bei einer Einschränkung auf eine Teiloberfläche, die im Querschnitt durch das Kopfstück einem Winkel beidseitig zur Induktorhauptachse des Kleinflächen­ induktors von mehr als 90° und weniger als 140° ent­ spricht, ist eine bessere Nutzung der zugeführten elektrischen Leistung gegeben.

Eine regeltechnisch besonders schnelle Antriebs­ steuerung wird erreicht, wenn die in der Steuer­ einrichtung gespeicherten Steuerdaten der steuertech­ nisch gekoppelten Antriebsmotoren die glatte Hüllkurve oder Kulissenbahn durch eine Folge von unterschiedlich langen Polygonzügen annähern. Diese werden derart berechnet, daß der Koppelabstand des Kleinflächen­ induktors zur Induktorwirklinie um nicht mehr als zehn Prozent schwankt. Damit ist eine homogene Härtung bei großem Durchsatz möglich.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Oberflächenhärtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung schematisch in einer Seitenansicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht des in der Vorrichtung zur Oberflächenhärtung zu bearbeitenden Werkstückes mit dem im Koppelabstand ge­ führten Kopfstück des Kleinflächeninduktors und

Fig. 3 eine Draufsicht auf das in der Vorrichtung zur Oberflächenhärtung zu bearbeitende Werkstück mit dem im Koppelabstand geführ­ ten Kopfstück des Kleinflächeninduktors.

Die Fig. 1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ober­ flächenhärtung, die auf einer Grundplatte 1 angeordnet ist. Auf der Grundplatte 1 ist ein Haltearm 2 an­ geordnet, der ein Lager für eine Horizontalachse 3 aufweist. Auf der Horizontalachse 3 ist eine Werk­ stückaufnahme 4 drehbar gelagert, die über einen Treibriemen 5 mit einem ersten Antriebsmotor 6 verbun­ den ist.

Die Werkstückaufnahme 4 gestattet das Einspannen eines zu bearbeitenden Werkstückes 7, das mit Hilfe des ersten Antriebsmotors 6 über den Treibriemen 5 um die Horizontalachse 3 gedreht wird. Bei den Werkstücken 7 handelt es sich z. B. um eine Kurvenscheibe, eine Kulissenbahn, ein Hublager einer Kurbelwelle oder Ex­ zenterwelle. Die Werkstückaufnahme 4 ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß der Schwerpunkt des Werkstückes 7 auf der Horizontalachse 3 fluchtet. Insbesondere kann eine im Schwerpunkt des Werkstückes 7 selbstzen­ trierende Einrichtung vorgesehen sein.

Auf der Grundplatte 1 ist weiterhin eine vertikale Tragesäule 8 angeordnet, an deren oberen Ende ein zweiter Antriebsmotor 9 vorgesehen ist, mit dessen Hilfe ein Verschiebetisch 10 über eine vertikal verlaufende Spindel 11 entlang einer Vertikalrichtung 12 bewegt wird. Der Verschiebetisch 10 gestattet durch einen dritten Antriebsmotor 13 einem auf ihm angeord­ neten Glühübertrager oder Anpaßtransformator 14 eine Bewegung parallel zu einer horizontal verlaufenden Spindel 15. Die horizontal verlaufende Spindel 15 bestimmt eine Horizontalrichtung 16, die sich parallel zur Grundplatte 1 und in Draufsicht rechtwinklig zur Horizontalachse 3 erstreckt.

Ein Kleinflächeninduktor 17 ist in einer Werkzeug­ aufnahme 18 befestigt, die vorzugsweise direkt und starr mit dem Anpaßtransformator 14 verbunden ist. Der Kleinflächeninduktor 17 geht in seinem werkstücknahen Teil in ein Kopfstück 19 über, das in Fig. 1 nur schematisch , aber in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist.

Die drei Antriebsmotoren 6, 9 und 13 sind mit einer Steuereinrichtung 20 verbunden, die vorzugsweise neben dem Speicher für die digitalen Steuerdaten zur Ansteuerung der gekoppelten Antriebsmotoren 6, 9 und 13 eine Magnetspeichereinrichtung zur schnellen Eingabe der in der Regel in einem externen Computer erstellten Datensätze für das zu härtende Werkstück aufweist.

Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht des zu bearbeitenden zylindrischen Werkstückes 7 und des Kopfstückes 19 des Kleinflächeninduktors 17. Eine Induktorwirklinie 21 ist in jedem Bearbeitungszeit­ punkt jeweils die Linie auf der Oberfläche des Werk­ stückes 7, die dem Kopfstück 19 des Kleinflächen­ induktors 17 am nächsten liegt, kennzeichnet also die Symmetriegerade des gerade in Erwärmung befindlichen Teils der Werkstückoberfläche 22. Die gerade in Erwärmung befindliche Werkstückoberfläche 22 kann durch die Tangentialebene des Werkstückes 7 bezüglich der Induktorwirklinie 21 in der Umgebung dieser Linie angenähert werden.

Im Ausführungsbeispiel ist als zu härtende Werkstück­ oberfläche 22 die Hüllkurve einer Kurvenwelle vor­ gegeben. Als Koppelabstand 23 bezeichnet man den Abstand von dem Kopfstück 19 zur Induktorwirklinie 21. Die Induktorhauptrichtung 24 ist die in das Kopfstück 19 des Kleinflächeninduktor 17 verlegte Horizontal­ richtung 16.

Die Steuereinrichtung 20 verfügt über einen Daten­ speicher, in dem Steuerdaten und die Formdaten des zu härtenden Werkstückes 7 niedergelegt sind. Mit diesen Daten werden die drei Antriebsmotoren 6, 9 und 13 gemeinsam derart angesteuert, daß der Koppelabstand 23 während des Erwärmungsvorgangs der Hüllkurve des Werk­ stückes 7 in seiner zeitlichen Abfolge und die Rela­ tivgeschwindigkeit zwischen der Induktorwirklinie 21 und der zu härtenden Werkstückoberfläche 22 konstant gehalten wird. Weiterhin erfolgt die Steuerung derart, daß der Winkel zwischen der durch die Induktorwirkli­ nie 21 aufgespannten Tangentialebene der zu härtenden Werkstückoberfläche 22 und der Induktorhauptrichtung 24 mit einem Wert von 90° konstant bleibt.

Im Ausführungsbeispiel umfaßt die Steuereinrichtung 20 eine NC-Steuerung, die aus der Fräsmaschinentechnik bekannt ist. Mittels eines Rechnerprogramms wird für die zu härtende Werkstückoberfläche 22 des Werkstückes 7 eine Folge von in der Regel unterschiedlich langen Polygonzügen berechnet, die den Querschnitt der zu härtenden Werkstückoberfläche 22 annähern. Der Klein­ flächeninduktor 17 wird im Härtungsbetrieb durch die Steuerung im berechneten Koppelabstand 23 an dem durch die Polygonzüge ersetzten Werkstück 7 vorbeigeführt. Die Schwankungen des Koppelabstandes 23, die sich durch das Ersetzen der wirklichen Hüllkurve durch die Näherung ergeben, haben bei entsprechender Wahl einen vernachlässigbaren Einfluß auf das Härteergebnis. Jeder Polygonzug entspricht jeweils einem NC-Satz, während dessen Ausführung der Winkel zwischen der durch die Induktorwirklinie 21 aufgespannten Tangen­ tialebene der zu härtenden Werkstückoberfläche 22 und der Induktorhauptrichtung 24 durch die steuer­ technische Kopplung der Antriebsmotoren 6, 9 und 13 mit einem Wert von 90° konstant bleibt. Weiterhin bewirkt die in verschiedenen NC-Sätzen je nach Kurvenform unterschiedliche Drehgeschwindigkeit des Werkstückes 7 um die Horizontalachse 3 durch den ersten Antriebs­ motor 8 im Zusammenspiel mit der X-Z-Verschiebung (die X-Achse entspricht der Horizontalrichtung 16, die Z-Achse der Vertikalrichtung 12) des Kopfstückes 19 des Kleinflächeninduktors 17 durch den dritten An­ triebsmotor 13 bzw. den zweiten Antriebsmotor 9 eine über alle NC-Sätze, d.h. den gesamten Härtungsvorgang, konstante Oberflächenrelativgeschwindigkeit zwischen dem Kleinflächeninduktor 17 und der zu härtenden Oberfläche 22.

Diese Steuerung soll am Rechenbeispiel für eine Kurbelwelle mit einem Durchmesser von 35,4 mm und einer Exzentrität von 18 mm verdeutlicht werden. Bei 30 Umdrehungen pro Minute und einer Satzwechselzeit der NC-Steuerung von 25 ms, welche die Genauigkeit der Näherung letztlich begrenzt, kann die Hüllkurve durch 80 Polygonzüge mit je 4,5° Sekantenwinkel bei einer Schwankung des Koppelabstandes 23 um weniger als 30 Mikrometern angenähert werden. Daraus ergibt sich auch bei HF-Härtung eine relative Schwankung des Koppel­ abstandes 23 von weniger oder höchstens gleich 10%.

In Fig. 2 ist eine besonders günstige Ausbildungsform des Kopfstücks 19 des Kleinflächeninduktors 17 ge­ zeichnet. Bei Verwendung eines zylindrischen Kopf­ stücks 19 ist der oben angesprochene Winkel von 90° bei der Oberflächenhärtung der Hüllkurve oder Kulis­ senbahn von solchen Werkstücken 7 gewährleistet, bei denen der kleinste Kurvenradius der zu härtenden Werkstückoberfläche 22 um den Koppelabstand 23 größer ist als der Durchmesser des zylindrischen Kopfstückes 19.

Der Kleinflächeninduktor 17 ist von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel 25 durchströmt. Dieses tritt durch Bohrungen 26 im Kopfstück 19 des Klein­ flächeninduktors 17 aus, die in einem Winkel von etwa 50° zur Horizontalebene der Induktorhauptrichtung 24 unterhalb dieser angeordnet sind. Das Kühlmittel 25 besprüht zur Abschreckung die schon erwärmte Werk­ stückoberfläche. Das gezeichnete Ausführungsbeispiel entspricht einer Verwendung von einem fluiden Kühl­ mittel 25, welches schwerer als das es umgebende Medium, in der Regel Luft, ist. Hierbei dreht sich das Werkstück 7 in dem durch den Pfeil 28 veranschaulich­ ten Drehsinn um die Horizontalachse 3. Bei Verwendung eines Kühlmittels 25, das leichter als das es um­ gebende Medium ist, muß die Anordnung der Bohrungen 26 in demselben Winkel wie angegeben aber oberhalb der Induktorhauptrichtung 24 erfolgen. Die Drehrichtung des Werkstückes 7 ist dann umgekehrt.

Fig. 2 zeigt weiterhin die Anbringung von ferritischem Material 27 auf der der Induktorwirklinie 21 ent­ gegengesetzten Seite des Kopfstückes 19. Dieses führt zu einer Beschränkung der stromführenden Oberfläche des Kopfstückes 19 auf eine Teiloberfläche, die der Induktorwirklinie 21 und damit der in Bearbeitung befindlichen Werkstückoberfläche zugewandt ist, wobei diese Teiloberfläche im Querschnitt durch das Kopf­ stück 19 einem Winkel beidseitig zur Induktorhaupt­ richtung 24 des Kleinflächeninduktors 17 von mehr als 90° und weniger als 140° entspricht.

Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das in der Vor­ richtung zur Oberflächenhärtung zu bearbeitende Werkstück 7 mit dem im Koppelabstand 23 geführten Kopfstück 19 des Kleinflächeninduktors 17. Das Kopf­ stück 19 des Kleinflächeninduktors 17 weist eine Breite von ungefähr dem 0,9- bis 1,1-fachen der Breite der zu härtenden Werkstückoberfläche 22 auf.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Werk­ stück 7 mit Hilfe des ersten Antriebsmotors 6 um die Horizontalachse 3 gedreht und der Kleinflächeninduktor 17 mit Hilfe des zweiten Antriebsmotors 9 und des dritten Antriebsmotors 13 entlang der Vertikalrichtung 12 und der Horizontalrichtung 16 bewegt. Genauso kann aber der Kleinflächeninduktor 17 mit nur dem zweiten Antriebsmotor 9 entlang der Vertikalrichtung 12 oder mit nur dem dritten Antriebsmotor 13 entlang der Horizontalrichtung 16 bewegt werden, wobei dann der erste Antriebsmotor 6 mit dem um die Horizontalachse 3 der Werkstückaufnahme 4 sich drehenden Werkstück 7 auf einem dem in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Verschiebetisch 10 entsprechenden Verschiebetisch angeordnet ist, welcher durch den dritten Antriebs­ motor 13 entlang der Horizontalrichtung 16 bzw. durch den zweiten Antriebsmotor 9 entlang der Vertikal­ richtung 12 bewegt wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Oberflächenhärtung von Werkstücken mit glatten Hüllkurven oder Kulissenbahnen durch elektrische Induktion mit einem Kleinflächeninduktor im Umlaufbetrieb, mit einer Werkstückaufnahme, die das Werkstück fixiert und die um eine Horizontalachse mit Hilfe einer Dreheinrichtung über einen ersten Antrieb drehbar ist, mit einem Verschiebetisch, der durch einen dritten Antrieb dem in einer Werkzeugaufnahme befestigten Kleinflächeninduktor eine Bewegung para­ llel zu einer Horizontalrichtung gestattet, die in einer Draufsicht rechtwinklig auf der Horizontalachse steht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Höhen­ verstelleinrichtung (11) für den Verschiebetisch (10) mit einem zweiten Antrieb (9) entlang einer Vertikal­ richtung (12) geführt ist und daß der erste Antrieb (6) der Dreheinrichtung (4), der zweite Antrieb (9) der Höhenverstelleinrichtung (11) und der dritte Antrieb (13) des Verschiebetisches (10) über eine gemeinsame Steuereinrichtung (20) angesteuert werden, die die Steuerdaten der steuertechnisch gekoppelten Antriebe (6, 9, 13) für die zu härtende Werkstückober­ fläche (22) des Werkstückes (7) gespeichert hat, derart, daß während des gesamten Härtungsvorgangs der Koppelabstand (23) konstant bleibt, daß durch Ver­ stellen des zweiten und dritten Antriebs (9, 13) ein konstanter Winkel zwischen der Induktorhauptrichtung (24) und der durch die Induktorwirklinie (21) und der zu härtenden Werkstückoberfläche (22) aufgespannten Tangentialebene gehalten wird, und daß die Induktor­ wirklinie (21) des Kopfstückes (19) durch Anpassen der Geschwindigkeit des ersten Antriebs (6) die Kurven­ oberfläche mit konstanter Oberflächenrelativge­ schwindigkeit abtastet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das im Koppelabstand (23) zum Werkstück (7) befindliche Kopfstück (19) des Kleinflächen­ induktors (17) zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Hauptachse des Kopfstückes (19) parallel zu der durch die Induktorwirklinie (21) und der zu härtenden Werkstückoberfläche (22) aufgespannten Tangentialebene steht und der Durchmesser des zylindrischen Kopf­ stückes (19) nicht größer ist als die Differenz des Radius des engsten Kurvenstückes der zu härtenden Werkstückoberfläche (22) minus dem Koppelabstand (23), und daß die Breite des Kopfstückes (19) in etwa die Breite der zu härtenden Hüllkurve oder Kulissenbahn aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kleinflächeninduktor (17) von einem fluiden Kühlmittel (25) durchströmt wird und daß zur Abschreckung der Werkstückoberfläche (22) das Kühl­ mittel (25) durch Bohrungen (26) im Kopfstück (19) des Kleinflächeninduktors (17), die in einem Winkel von etwa 50° zur Horizontalebene der Induktorwirklinie (21) unterhalb dieser angeordnet sind, auf die Werk­ stückoberfläche (22) gespritzt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführende Ober­ fläche des Kopfstückes (19) durch Anbringung von fer­ ritischem Material (27) auf der der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche abgewandten Seite des Kopfstückes (19) auf eine Teiloberfläche beschränkt ist, die der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zugewandt ist, wobei diese Teiloberfläche im Querschnitt durch das Kopfstück (19) einem Winkel beidseitig zur Induktor­ hauptrichtung (24) des Kleinflächeninduktors (17) von mehr als 90° und weniger als 140° entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Steuerein­ richtung (20) gespeicherten digitalen Steuerdaten der steuertechnisch gekoppelten Antriebe (6, 9, 13) die glatte Hüllkurve oder Kulissenbahn durch eine Folge von Polygonzügen derart annähern, daß der Koppel­ abstand (23) des Kleinflächeninduktors (17) zur Induktorwirklinie (21) nicht um mehr als zehn Prozent schwankt.