DE4011612A1 - Verfahren und einrichtung zur oberflaechenhaertung rotationssymmetrischer teile durch induktive erwaermung mit hilfe wenigstens zweier unterschiedlicher frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für die induktive Erwärmung von rotationssymmetrischen Teilen mit komplizierten Formen, z. B. Zahnräder, zur Oberflächenhärtung, mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen arbeitend.

Bekannt sind die Schwierigkeiten bei der induktiven Oberflächenhärtung von Zahnrädern in einer umfassenden runden Spule, eine gleichmäßige Einhärtetiefe sowohl an den Zahnspitzen als auch an den Zahnfußpunkten zu erreichen. Beim Einsatz von Mittelfrequenz können gute Härteergebnisse im Zahnfuß, aber nicht in den Spitzen erreicht werden. Andererseits können die Zahnspitzen mit Hochfrequenz gut gehärtet werden; dabei sind die Härteergebnisse in den Fußpunkten dann aber unbefriedigend.

Zur Lösung dieses Problems sind drei Verfahren bekannt:

• 1. Für jede Zahnradabmessung und -ausführung ist jeweils eine optimierte Frequenz zu wählen.
  Bei dieser Lösung sind die Möglichkeiten zur Beeinflussung des Härteprofils eingeschränkt; ein befriedigendes Ergebnis für alle unterschiedlichen Aus­ führungen von Zahnrädern kann kaum erreicht werden.
• 2. Vor einer anschließenden Härtung mit Hochfrequenz wird das Zahnrad auf 500-700°C vorgewärmt.
  Die Vorerwärmung kann in einem Ofen oder induktiv erfolgen. Dabei sind unterschiedliche Lösungen in der Praxis bekannt; Erwärmung mit niedriger oder mittlerer Frequenz in einer separaten Spule oder Vorerwärmung mit geringer Leistung in der gleichen Hochfrequenzspule. Auch eine magnetische Kopplung zwischen Vorerwärmungsspule und Werkstück, das gleichzeitig in einer Hochfrequenzspule liegt, ist möglich (deutsche Auslegeschrift 12 33 896).
• 3. Zwei oder mehr verschiedene Frequenzen kommen in einer Spule in unter­ schiedlichen Zeitabschnitten nacheinander zum Einsatz (deutsche Patentschrift 37 11 645 C1 und europäisches Patent 02 95 099).
  Das praktische Problem einer solchen Lösung liegt in der möglichst kurzen Umschaltzeit für die entsprechenden Resonanzfrequenzen des Lastkreises, da einerseits eine sehr hohe Schaltleistung - für Werk- und Blindanteil - erforderlich ist (europäisches Patent 02 95 099) und andererseits die gesamte Heizzeit einschließlich der unterschiedlichen Heizabschnitte nur typischerweise 0,5-1 s beträgt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur gleichmäßigen Oberflächenhärtung von Zahnrädern zu schaffen, bei der ohne Vorerwärmung die technologisch bedingten kurzen Heizzeiten von ca. 0,5-1 s einzuhalten sind und bei der die zeitlich problematische Folgeschaltung verschiedener Frequenzen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine einzige, gemeinsame Induktionsspule gleichzeitig mit mindestens zwei unter­ schiedlichen Frequenzen beaufschlagt wird.

Entsprechend den weiteren Merkmalen dieses Verfahrens unterscheiden sich die genannten Frequenzen um eine halbe Dekade oder mehr. Die erste der beiden genannten Frequenzen liegt in einem Bereich von 50 kHz-1,5 MHz und die zweite der beiden genannten Frequenzen liegt in einem Bereich von 1-20 kHz.

Weiterhin ist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge eines ersten Umrichters, der Hochfrequenz liefert und eines zweiten Umrichters, der Mittelfrequenz liefert, gemeinsam mit einer einzigen Induktionsspule verbunden sind, und daß die Aus­ gangsleistungen beider Umrichter individuell regelbar sind.

Entsprechend den weiteren Merkmalen der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der erste Umrichter ein Serienschwingkreistyp, wobei der Kondensator zur Serienkompensation der Blindleistung der Induktionsspule eine ausreichende Dämpfung von Rückwirkungen der Mittelfrequenz, die von dem zweiten Umrichter geliefert wird, gewährleistet.

Entsprechend ist der zweite Umrichter als Serienschwingkreistyp mit einer Induktivität und einem zusätzlichen Serienkondensator zwischen dem Ausgang und dem für die beiden Umrichter gemeinsamen Anschlußpunkt in Reihe ausgeführt, um die Hochfrequenz-Rückwirkungen des genannten ersten Umrichters zu unterdrücken und um die Blindleistung der genannten Induktivität zu kompensieren.

Alternativ dazu kann der zweite Umrichter als Parallelschwingkreistyp ausgeführt sein, wobei eine Induktivität in Reihe liegt und ein zusätzlicher Kondensator parallel zum normalen Kompensationskondensator liegt, um die Hochfrequenz- Rückwirkungen des genannten ersten Umrichters zu unterdrücken und um die Blindleistung der genannten Induktivität zu kompensieren.

Vorzugsweise, aber erfindungsgemäß begrenzt, liegt die erste Frequenz der beiden genannten Umrichter in einem Bereich von 50 kHz-1,5 MHz und die zweite in einem Bereich von 1-20 kHz. Beide Frequenzen unterscheiden sich aber um eine halbe Dekade oder mehr.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Heizspule und der darunter­ liegenden Abschreckeinrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden,

Fig. 2 den Teil II-II von Fig. 1,

Fig. 3 die erste Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 4 die zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Als ein Beispiel ist in Fig. 1 und 2 eine Spule 4 mit Abschreckvorrichtung 5 zur Härtung von Zahnrädern dargestellt. Das zu härtende Zahnrad 1 befindet sich in einer Induktionsspule 4 mit einem magnetischen Kern 2 und der elektrischen Versorgung 3. Während der Aufheizung wird das Zahnrad gedreht, um eine gleichmäßige Ewärmung in einer einwindigen Spule 4 zu gewährleisten. Die Innenseiten dieser Spule sind so geformt, daß eine gleichmäßige Erwärmung über die vertikale Höhe des Zahnrades erreicht wird. Unmittelbar nach Beendigung des Auf­ heizvorganges wird das Zahnrad vertikal in eine Abschreckkammer 5 bewegt, um eine schnelle Abkühlung sicherzustellen. Dabei strömt die Abschreckflüssigkeit, z. B. Wasser, aus einem Kanal 5′ durch die Düsen 5′′ auf das Zahnrad.

Ein Zusammenschalten von zwei Umrichtern mit unterschiedlichen Frequenzen erfordert eine Anordnung, die für eine möglichst geringe gegenseitige Beein­ flussung der Umrichter ausgelegt ist, um Fehlfunktionen zu vermeiden. Da der Hochfrequenzumrichter 6 mit einem Serienresonanzkreis arbeitet, ermöglicht der Kompensationskondensator 7 eine ausreichende Dämpfung von Rückwirkungen der niedrigeren Frequenz (siehe Fig. 3 und 4). Theoretisch ist auch der Einsatz eines als Parallelschwingkreistyp ausgeführten Hochfrequenz-Umrichters möglich. Zur Unterdrückung der Mittelfrequenz-Rückwirkungen ist dann allerdings eine Filtereinheit notwendig, die aus einem Kondensator und einer Induktivität zur Kompensation des genannten Kondensators besteht. Diese Lösung ist gegenüber der serienkompensierten Ausführung, die keine zusätzlichen Filter benötigt, aus wirtschaftlicher Sicht nicht befriedigend. Außerdem würde die angegebene Filtereinheit die Frequenzregelung des parallelkompensierten Hochfrequenz- Umrichters wesentlich erschweren.

Zur Unterdrückung der Hochfrequenz-Rückkopplung auf den Umrichter 8 mit niedrigerer Frequenz dient eine Induktivität L_f 9 zwischen dem Anschlußpunkt 10 und dem Ausgang des Umrichters mit niedrigerer Frequenz. Um auch den Einfluß von Streuinduktivitäten in den Leitungen und in einem eventuell eingefügten Hochstrom-Anpassungsübertrager auszunutzen, sollte der Anschlußpunkt 10 so nahe wie praktisch möglich an der Induktionsspule 11 liegen.

Wird als Umrichter für die niedrigere Frequenz ein Reihenschwingkreis- Umrichter eingesetzt (siehe Fig. 3), so sollte die Induktivität L_f 9 einschließlich der Streuinduktivitäten vom Anschlußpunkt 10 aus gesehen mindestens 4mal größer sein als die Induktivität der Spule 11. Wird dagegen als Umrichter für die niedrigere Frequenz ein Parallelschwingkreisumrichter eingesetzt (siehe Fig. 4), so sollte die Induktivität L_f 9 einschließlich der Streuinduktitäten zwischen dem Anschlußpunkt 10 und dem Kompensationskondensator 13 des Umrichters mit der niedrigeren Frequenz vom Anschlußpunkt 10 aus gesehen, lediglich größer sein als die Induktivität der Spule 11.

Im einzelnen muß sowohl für die Serienresonanz (Fig. 3) als auch für die Parallelresonanz (Fig. 4) - Variante des Umrichters für die niedrigere Frequenz - eine diskrete Induktivität eingefügt werden, um eine ausreichende Induktivität L_f 9 zu erreichen. Diese ist mit zusätzlichen Verlustleistungen und Blindleistungsbedarf verbunden. Um die zusätzliche Blindleistung zu kompensieren, muß die Leistung des Serienkompensationskondensators C_k-15 mit einer Kapazität 12 (Fig. 3) und die des Parallelkompensationskondensators C_k-16 mit einer Kapazität 13 (Fig. 4) erhöht werden.

Mindestens einer der Umrichter muß einen Transformator (14) am Ausgang haben, um die Ausgänge galvanisch zu trennen.

Die Vorteile der Erfindung liegen zum einen im hohen Ausnutzungsgrad der installierten Leistung, da beide Umrichter während des gesamten Heizintervalls kontinuierlich Leistung abgeben. Damit sind kürzeste Härtevorgänge ohne Vor­ erwärmung möglich. Zum anderen ergibt sich ein großer Freiheitsgrad in der Gestaltung von Härtprofilen für unterschiedliche Zahnradabmessungen und -aus­ führungen, da die Leistung jedes Umrichters individuell geregelt werden kann. Weiterhin gelangt in das Zahnrad nur eine minimale Wärmemenge, da keine Vor­ erwärmung nötig ist. Damit wird Energie eingespart und der mechanische Verzug minimiert. Dieses ist wichtig, um Nachbearbeitung zu vermeiden. Die Induktionsspule kann konventionell aufgebaut sein. Standerwärmung und Vorschuberwärmung sind möglich.

Claims (9)

1. Ein Verfahren für die induktive Erwärmung von rotationssymmetrischen Teilen mit komplizierten Formen, z. B. Zahnräder, zur Oberflächenhärtung, mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen arbeitend, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige, gemeinsame Induktionsspule gleichzeitig mit den beiden genannten unterschiedlichen Frequenzen versorgt wird.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden genannten Frequenzen um eine halbe Dekade oder mehr unterscheiden.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste der beiden genannten Frequenzen in einem Bereich von 50 kHz-1,5 MHz liegt und daß die zweite der beiden genannten Frequenzen in einem Bereich von 1-20 kHz liegt.

4. Eine Einrichtung für die induktive Erwärmung von rotationssymmetrischen Teilen mit komplizierten Formen, z. B. Zahnräder, zur Oberflächenhärtung, mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen arbeitend, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge eines ersten Umrichters, der Hochfrequenz liefert, und eines zweiten Umrichters, der Mittelfrequenz liefert, gemeinsam mit einer einzigen Induktionsspule verbunden sind.

5. Eine Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Umrichter individuell regelbare Leistung haben.

6. Eine Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Umrichter ein Serienschwingkreistyp ist, wobei der Kondensator C_k(7) zur Serienkompensation der Blindleistung der Induktionsspule eine ausreichende Dämpfung von Rückwirkungen der Mittelfrequenz, die von dem zweiten Umrichter geliefert wird, gewährleistet.

7. Eine Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umrichter als Serienschwingkreistyp mit einer Induktivität (9) und einem zusätzlichen Serienkondensator (12) zwischen dem Ausgang (8′) und dem für die beiden Umrichter gemeinsamen Anschlußpunkt (10) in Reihe ausgeführt ist, um die Hochfrequenz-Rückwirkung des genannten ersten Umrichters zu unterdrücken und um die Blindleistung der genannten Induktivität (9) zu kompensieren.

8. Eine Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umrichter als Parallelschwingkreistyp mit einer Induktivität (9) in Reihe und einer zusätzlichen Kapazität (13) parallel zum Kompensationskondensator C_k(16) ausgeführt ist, um die Hochfrequenz-Rückwirkungen des genannten ersten Umrichters zu unterdrücken und um die Blindleistung der genannten Induktivität (9) zu kompensieren.

9. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz der beiden genannten Umrichter in einem Bereich von 50 kHz-1,5 MHz liegt und daß die zweite der beiden genannten Umrichter in einem Bereich von 1-20 kHz liegt, wobei sich aber die beiden Frequenzen um eine halbe Dekade oder mehr unterscheiden.