DE68918957T2

DE68918957T2 - Verfahren zum Induktionshärten von Maschinenteilen.

Info

Publication number: DE68918957T2
Application number: DE68918957T
Authority: DE
Inventors: Michael R Chaplin; John M Storm
Original assignee: Contour Hardening Inc
Current assignee: Contour Hardening Inc
Priority date: 1988-01-13
Filing date: 1989-01-11
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: EP0324721B1; ATE113315T1; WO1990014743A1; KR970011549B1; EP0324721A2; US4845328A; EP0324721A3; DE68918957D1; KR920702182A

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Technologie der Induktionserhitzung und insbesondere auf die Verwendung der Induktionserhitzung für die Einsatzhärtung von Maschinenteilen, wie z.B. Getrieben.
Maschinenteile, wie z.B. Getriebe, Keilwellen und Getrieberadzähne sind häufig grossen Torsionsbelastungen, grosser Reibungsabnützung und grossen Stossbelastungen ausgesetzt. Die Getriebe in einer Kraftübertragung zum Beispiel treffen jede dieser Kräfte während des normalen Betriebes an. In der typischen Getriebeproduktionsvorrichtung folgt dem Fertigen von Getriebezähnen eine Hitzebehandlung, um sie zu härten.
Hitzebehandlung von Getrieben kann viele verschiedene Arten von Vorgängen einbeziehen, welche alle den gemeinsamen Zweck oder das einzige Ziel des Erzeugens einer Mikrostruktur mit gewissen optimalen Eigenschaften haben. Der Härtungsprozess verformt jedoch oft die Getriebezähne, was eine reduzierte und variable Qualität ergibt.
Um diese mit herkömmlichen Hitzebehandlungen verbundenen Probleme zu vermeiden und die Fähigkeit des Maschinenteils (Getriebe), den oben genannten Belastungen und Abnützungskräften zu widerstehen, wird das Grundmetall durch selektive Härtung mit einem gehärteten äusseren Mantel versehen. Auf diese Weise wird nur die äussere Oberfläche verändert, und das Grundmetall behält seine wünschenswerten Eigenschaften die Festigkeit und Dehnbarkeit.
Ein technisches Verfahren für die selektive Härtung von diesem äusseren Mantel auf solchen Maschinenteilen, wie Getrieben, ist, die Getriebezähne einzeln induktionszuhärten. Eine andere Härtungstechnik, die auch selektiv ist, ist ein "selektive Karburierung" genanntes Verfahren. Einzelzahninduktionshärtung wird durch einen geformten Verstärker, der im Getriebezahnraum auf- und abschwingt, ausgeführt. Dies wird normalerweise mit dem in der Abschreckung eingetauchten Getriebe getan. Der Vorgang ist relativ langsam, da nur ein Getriebezahn auf einmal behandelt wird. Die selektive Karburierung wird am häufigsten gebraucht, und der Vorgang beinhaltet das Abdecken der gegen Karburierung zu schützenden Oberflächen mit einem Material, das den Durchgang aktiver Kohle während des Erhitzens im Ofen verhindert. Die am häufigsten gebrauchte Methode, um die Kohlenaktivität zu stoppen, ist das Beschichten mit Kupfer. Ein Getriebe wird auf allen Oberflächen ausser den Zähnen mit Kupfer beschichtet, dann karburiert. Das Kupfer wird dann vom Teil entfernt, das Teil wird fertig verarbeitet, überall wieder mit Kupfer beschichtet, ofengehärtet und abgeschreckt.
Die Schwierigkeiten und die Kostspieligkeit des Karburierungsvorgangs haben Firmen dazu veranlasst, alternative Techniken in Betracht zu ziehen, wie z.B. Induktionserhitzung für selektive Einsatzhärtung, aber sie in einem grösseren Maßstab auszuführen als bei der Einzelzahnmethode. Das am 23. Juni 1987 Mucha et al. gewährte US Patent Nr. 4,675,488 beschreibt eine Variation des oben beschriebenen Einzelzahnvorgangs, bei der der Vorgang Induktionserhitzung und dann Abschreckungshärtung mehrerer Zähne gleichzeitig beinhaltet, während der Rest der Zähne abgekühlt wird, was bezweckt, dass eine Beeinträchtigung der zuvor gehärteten Zähne verhindert wird (Spalte 1, Zeilen 55-65). Während schliesslich alle Zähne induktionsgehärtet sind, sind die Induktoren extrem komplex und teuer. Das Patent von Mucha et al. erwähnt auch den Versuch anderer über mehrere Jahre hinweg, ein Mittel zur Induktionserhitzung der äusseren Umfangsoberfläche von Getrieben unter Verwendung eines umschliessenden Induktors zu finden, so dass die Getriebe durch den Induktor behandelt und dann direkt danach abschreckungsgehärtet werden können, um die gewünschte Einsatzhärtung auf der äusseren Getriebeoberfläche zu bewirken. Die im Patent von Mucha et al. vorgeschlagene Lösung ist, zwei Induktionserhitzungsspulen mit dem Werkstück konzentrisch innerhalb der ersten Induktionserhitzungsspule angeordnet bereitzustellen. Diese erste Spule wird während einer festen Zeitperiode mit dem ersten Wechselfrequenzstrom angeregt. Einmal entladen erfährt das Werkstück eine Warteperiode und danach wird die erste Induktionserhitzungsspule mit einer zweiten Wechselfrequenz während einer anderen festen Zeitperiode wieder angeregt, wenn auch deutlich kürzer als die erste Zeitperiode der ersten Wechselfrequenz. Am Ende dieser zweiten Zeitperiode wird das Werkstück unverzüglich in die zweite Induktionserhitzungsspule in einer konzentrischen Art übergeführt und erfährt eine zweite Wartezeit. Nach diesem Schritt wird die zweite Induktionserhitzungsspule während einer dritten Zeitperiode mit einem Radiofrequenzstrom angeregt und schreckt unverzüglich die äusseren Oberflächen ab durch Abschreckung einer gegen die Oberflächen gesprühten Flüssigkeit, während sich das Werkstück in der zweiten Induktionserhitzungsspule befindet. Es ist zu bemerken, dass, obwohl das Patent von Mucha et al. ziemlich neu ist, es nicht einmal indirekt die Möglichkeit der Verwendung eines Mikroprozessors zur Steuerung der Folge der Vorgangsschritte vorzuschlagen scheint.
Vor einigen Jahren wurde eine Doppelfrequenzanordnung zur Induktionserhitzung beschrieben, in welcher ein Niederfrequenzstrom zum Vorheizen der Getriebezähne verwendet wurde und dann ein Hochfrequenz- (Radiofrequenz-)strom zur endgültigen Erhitzung vor der Abschreckungshärtung verwendet werden konnte. Diese Doppelfrequenzanordnung wird durch das eben beschriebene Patent von Mucha et al. in einem gewissen Ausmasse verwendet. Dieses Doppelfrequenzkonzept wurde kürzlich auch von den hiesigen Erfindern in ihrem mit "Induktionsgetriebehärtung durch die Doppelfrequenzmethode" betitelten Artikel beschrieben, welcher in der Zeitschrift Heat Treating, Band 19, Nr. 6, veröffentlicht im Juni 1987, erschienen ist. Wie sie in ihrem Artikel erklären, benützt das Prinzip der Doppelfrequenzerhitzung sowohl Hoch- als auch Niederfrequenzheizquellen. Das Getriebe wird zuerst mit einer relativen niederfrequenten Quelle (3-10 kHz) erhitzt, die die benötigte Energie zum Vorheizen der Masse der Getriebezähne liefert. Auf diesen Schritt folgt unverzüglich die Erhitzung mit einer Hochfrequenzquelle, die von 100-300 kHz reicht, abhängig von der Getriebegrösse und der diametralen Steigung. Die Hochfrequenzquelle erhitzt schnell endgültig die ganze Zahnumrissoberfläche zu einer Härtungstemperatur. Das Getriebe wird dann zu einer gewünschten Härte abgeschreckt und abgekühlt.
Doppelfrequenzerhitzung ist die schnellste bekannte Art zur Erhitzung eines Getriebes. Erhitzungszeiten reichen von 0,14 bis 2,0 Sekunden. Dies vergleicht sich z.B. mit den 4-5 Minuten, die ein Laser benötigt, um ein Getriebe Zahn für Zahn abzutasten. Bei der Doppelfrequenzerhitzung wird das rotierende Werkstück vorgeheizt, während es sich auf einer Spindelzentrierbefestigungsvorrichtung bewegt. Dann wird durch einen schnellen "Puls" die optimale endgültige Hitze herbeigeführt. Als nächstes wird das Stück für eine totale Behandlungszeit von ungefähr 30 Sekunden in eine Abschreckungsvorrichtung auf Wasserbasis geführt. Doppelfrequenz ist dadurch einzigartig unter Getriebehärtungsmethoden, dass sie ermöglicht, dass konkurrierende technische Eigenschaften koexistieren können. D.h. für eine gegebene Anforderung an die Einsatzhärtetiefe und eine gegebene Verformungsbeschränkung tendiert bei herkömmlichen Härtungsmethoden eine Anforderung dazu, der anderen entgegenzuwirken. Da Doppelfrequenzhärtung nur die notwendige Hitzemenge in das Teil führt (2-3 mal weniger Energie als herkömmliche Induktion), können sowohl die Anforderungen an die Einsatzhärtetiefe als auch an die Verformungseigenschaften genau erfüllt werden.
Bei jedem Induktionserhitzungsvorgang, ob Doppel- oder Einzelfrequenz, und ungeachtet der Art und des Materials des Teiles, bestimmen die Eigenschaften des Teiles die optimale Konstruktion der Induktionserhitzungsspule oder -spulen und die geeignetsten Maschineneinstellungen. Nur mit der genau konstruierten Spule und den geeigneten Maschineneinstellungen ist es möglich, die Umriss- und Einsatzhärtungseigenschaften zu erreichen, die vom Standpunkt der Abnützung und des Belastungswiderstandes aus als die geeignetsten angesehen werden, während die totale Teilfestigkeit, die Materialdehnbarkeit und die Teileigenschaften erhalten bleiben. Ein Getriebe, das zu spröde ist, wird vorzeitig ausfallen, oft durch das Abbrechen eines Zahnes oder das Brechen des Zahnradkörpers.
Traditionellerweise wurde eine feste Spulenkonstruktion für einen weiten Bereich von verschiedenen Teilen benutzt, und Maschineneinstellungen wurden auf der Basis der "besten Schätzung" durch den Bediener der Induktionsmaschine vorgenommen. Durch das Festlegen der Spule wird eine Variable ausgeschaltet und der Bediener versucht, durch Pröbeln auf ein akzeptables Endteil zuzusteuern. Je erfahrener der Bediener ist, desto grösser sind die Anzahl und die Vielfältigkeit der Teile, mit denen er experimentiert haben mag, und in dem Ausmass, wie er fähig ist, von dieser Erfahrung zu zehren, kann er fähig sein, nahe an ein akzeptables Teil heranzukommen, jedoch erst nach wiederholten Versuchen.
Da diese ganze Methode nicht wissenschaftlich ist, ist das Beste, was man erhoffen kann, ein akzeptables Teil, aber nicht ein optimales Teil zu erhalten. Dieses Problem wird verstärkt, wenn Induktionserhitzung bei unregelmässig geformten Objekten, wie Getrieben, angewandt wird. Bis jetzt gab es keine Bemühungen, um zu versuchen, einen Satz von Formeln herzuleiten, um die optimalsten technischen Daten der Spule und die optimalsten Einstellungen der Induktionsmaschine für ein gegebenes Teil genau zu bestimmen, und welcher wiederholbar anwendbar ist, Teil für Teil, ungeachtet der Grösse, der Form, des Materials oder anderer Eigenschaften. Stattdessen werden grobe Parameter für die Spule auf Grund der allgemeinen Teilgrösse ausgewählt und dann werden die Maschineneinstellungen verändert, bis die Variablenkombination nahe an etwas herankommt, das akzeptiert werden kann.
Der oben erwähnte Artikel enthält keine Offenbarung, die den Schritt der Bestimmung eines mathematischen Algorithmus (oder Verwendung eines existierenden Algorithmus, falls vorhanden) zur Berechnung der technischen Daten der Induktionsspule und der Maschineneinstellungen vorschlägt.
Um die Unsicherheit in den technischen Daten der Spule und den Maschineneinstellungen zu vermeiden und um Induktionshärtung in einer präzisen und optimalen Art zu ermöglichen, ungeachtet der Art des Maschinenkomponententeils oder der Geometrie und der Eigenschaften des Teiles, liefert die vorliegende Erfindung eine Maschinenstruktur und ein Induktionshärtungsverfahren, das eine Serie von Formeln zur Bestimmung der technischen Daten der Spule und der Maschineneinstellungen verwendet, wobei die Formeln auf der Grösse und den Eigenschaften des Komponententeils basieren. Dieses Verfahren des wissenschaftlichen Berechnens der technischen Daten für eine einzige Spule und der Maschinenvariablen (Einstellungen) gestützt auf individuelle Teileigenschaften ermöglicht vorhersagbare und uniforme Resultate für die Induktionshärtung des Teiles in einer geordneten und wiederholbaren Art.
Vorher war jegliche Berechnung, die möglicherweise gemacht wurde, im besten Falle rudimentär, nur auf der Mantelfläche und der Eindringtiefe basierend. Die Formelserie erlaubt, die Spulen- und Maschinenvariablen wissenschaftlich eher als durch Abschätzen festzusetzen, und die nutzlosen Pröbelversuche werden ausgeschaltet, während zur gleichen Zeit die Qualität des Teils von einem nur akzeptablen oder tolerablen Niveau zu einem optimalen Niveau angehoben wird.
Bei dem unwissenschaftlichen und blindlingsen Verfahren der früheren Methoden gab es keine Kontrolle darüber, wie Variablen durch den Maschinenbediener verändert wurden und, wie vorher erwähnt, das Verändern der einen kann einen Einfluss auf die andere haben, so dass eine passende Kombination von Variablen möglicherweise nie erreicht wird. Bei der vorliegenden Erfindung, obwohl es ein gewisses Rückwirken und, wenn gefordert, die Möglichkeit des Anpassens oder des Feinabstimmens der Einstellungen gibt, wird nur eine Variable, Leistung, variiert.
Ausserdem ergibt sich das Rückwirken und die mögliche Notwendigkeit zur Anpassung nur aus Schäden an Maschinenkomponenten oder Maschinenparametern, die den Toleranzbereich überschreiten, nicht weil die Serie von Formeln und Gleichungen (mathematischer Algorithmus) ungenau oder zu wenig zutreffend ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Induktionshärtung der Maschinenkomponenten bereitzustellen.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung ein Verfahren zur Induktionshärtung eines Werkstücks durch Erhitzen des Werkstücks durch Induktion vor, unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit mindestens einer Induktionsspule und durch Abschreckung des Werkstücks, das die folgenden Schritte umfasst (a) Bestimmung eines mathematischen Algorithmus zur Berechnung der technischen Daten der Induktionsspule und der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine, die der optimalen Induktionshärtung des genannten Werkstücks entsprechen, in Abhängigkeit der technischen Daten des Werkstücks; (b) Bestimmung der spezifischen Daten für das durch Induktion zu härtende Werkstück; (c) Verwendung der so bestimmten spezifischen Daten zur Berechnung der genannten Induktionsspulendaten und der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine für das genannte Werkstück gemäss dem genannten Algorithmus; (d) Bereitstellung mindestens einer Induktionsspule, welche die so berechneten technischen Daten besitzt und Verbringung derselben auf die genannte Induktionshärtungsmaschine; und (e) Durchführung des Induktionshärtungsverfahrens für das genannte Werkstück gemäss den so berechneten Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine.
In einer besonderen Ausführungsart des obgenannten Verfahrens umfasst dieses Verfahren Schritte, die darin bestehen, die genannte Induktionshärtungsmaschine mit einer Computersteuerungs-Schnittstellenvorrichtung zu versehen, um die Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine zu bestimmen und zu überwachen, und die genannten berechneten Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine in diese Schnittstellenvorrichtung einzugeben.
lnsbesondere kann das Verfahren vorteilhafterweise den Schritt umfassen, die genannten Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine auf einer Computerplatte aufzuzeichnen und die genannte Platte in die genannte Schnittstellenvorrichtung einzuführen.
In einer besonderen Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine, die mit einem Hochfrequenzgenerator und einem Abschreckungs-Arbeitsplatz versehen ist, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Daten der durch Induktion zu härtenden Getriebe deren diametrale Steigung, deren Zähneanzahl und deren Stirnbreite umfassen.
In einer anderen besonderen Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Niederfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln, um den genannten Hochfrequenzgenerator und den genannten Niederfrequenzgenerator jeweils elektrisch mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule und einer Niederfrequenz-Induktionsspule zu verbinden, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: (a) Verwendung der spezifischen Daten des durch Induktion zu härtenden Getriebes zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der technischen Daten der Induktionsspulen der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen gemäss dem genannten Algorithmus; (b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben mit dem genannten Hochfrequenzgenerator bzw. dem genannten Niederfrequenzgenerator, unter Verwendung der genannten jeweiligen Verbindungsmittel; (c) Durchführung eines Niederfrequenz-Vorheizschrittes unter Verwendung der genannten Niederfrequenz-Induktionsspule; (d) Durchführung des endgültigen Hochfrequenz-Heizungsschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule; (e) Durchführung eines Abschreckungsschrittes an dem genannten Abschreckungsarbeitsplatz; und (f) Durchführung eines Niederfrequenz-Anlassschrittes unter Verwendung der genannten Niederfrequenz-Induktionsspule.
In noch einer weiteren besonderen Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens zum Induktionshärten von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Niederfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln, um den genannten Hochfrequenzgenerator und den genannten Niederfrequenzgenerator jeweils elektrisch mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule bzw. einer Niederfrequenz-Induktionsspule zu verbinden, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: (a) Verwendung der spezifischen Daten des durch Induktion zu härtenden Getriebes zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der Induktionsspulendaten der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen entsprechend dem genannten Algorithmus; (b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben jeweils mit dem genannten Hochfrequenzgenerator bzw. dem genannten Niederfrequenzgenerator unter Verwendung der genannten jeweiligen Verbindungsmittel; (c) Durchführung eines Hochfrequenz- Vorheizschrittes mit einem Hochfrequenz-Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule; (d) Durchführung des endgültigen Hochfrequenz-Heizungsschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule; (e) Durchführung eines Abschreckungsschrittes an dem genannten Abschreckungs-Arbeitsplatz; und (f) Durchführung eines Niederfrequenz-Anlass-Schriftes unter Verwendung der genannten Niederfrequenz-Induktionsspule.
In noch einer weiteren besonderen Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln zur elektrischen Verbindung des genannten Hochfrequenzgenerators mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: (a) Verwendung spezifischer Daten des durch Induktion zu härtenden Getriebes zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der Induktionsspulendaten der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule gemäss dem genannten Algorithmus; (b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz- Induktionsspule mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben mit dem genannten Hochfrequenzgenerator unter Verwendung der genannten Verbindungsmittel; (c) Durchführung eines Hochfrequenz- Vorheizschrittes mit einem Hochfrequenz-Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule; (d) Durchführung eines endgültigen Hochfrequenz-Heizschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule; (e) Durchführung eines Abschreckungsschrittes an dem genannten Abschreckungs-Arbeitsplatz; und (f) Durchführung eines Hochfrequenz-Anlass-Schrittes mit einem Hochfrequenz- Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule.
In noch einer weiteren besonderen Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Niederfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln zur elektrischen Verbindung des genannten Hochfrequenzgenerators und des genannten Niederfrequenzgenerators, jeweils mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule bzw. einer Niederfrequenz- Induktionsspule, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: (a) Verwendung spezifischer Daten des Getriebes, das durch Induktion gehärtet werden soll, zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der Induktionsspulendaten der genannten Hochfrequenz- bzw. Niederfrequenz-Induktionsspule gemäss dem genannten Algorithmus; (b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben jeweils mit dem genannten Hochfrequenzgenerator bzw. dem genannten Niederfrequenzgenerator unter Verwendung der genannten jeweiligen Verbindungsmittel; (c) Durchführung eines Niederfrequenz-Vorheizschrittes unter Verwendung der genannten Niederfrequenz-Induktionsspule; (d) Durchführung eines Hochfrequenz-Vorheizschrittes mit einem Hochfrequenzenergieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule; (e) Durchführung eines endgültigen Hochfrequenz- Heizschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule; (f) Durchführung eines Abschreckungsschrittes an dem genannten Abschreckungs-Arbeitsplatz; und (g) Durchführung eines Hochfrequenz-Anlass-Schrittes mit einem Hochfrequenz- Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Induktionsmaschinenkomponenten für die Verwendung in der Induktionshärtung gemäss einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein schematisches Flussdiagramm der Hauptschritte, die bei der Induktionshärtung von Maschinenkomponenten gemäss einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachzuvollziehen sind.
Fig. 3 ist ein Flussdiagramm, das die genaueren Schritte und Rückwirkungsschleifen, verbunden mit dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren, illustriert.
Fig. 3A ist eine Fortsetzung des Flussdiagramms von Fig. 3.
Fig. 4 ist eine Aufrissansicht einer für die Verwendung in der Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung passenden Niederfrequenz-Induktionsspule.
Fig. 4A ist eine Draufsichtsansicht der Niederfrequenz- Induktionsspule der Fig. 4.
Fig. 4B ist eine Rissansicht von hinten der Niederfrequenz- Induktionsspule der Fig. 4.
Fig. 5 ist eine Aufrissansicht einer für die Verwendung in der Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung passenden Hochfrequenz-Induktionsspule.
Fig. 5A ist eine Draufsichtsansicht der Hochfrequenz- Induktionsspule der Fig. 5.
Fig. 5B ist eine Rissansicht von hinten der Hochfrequenz- Induktionsspule der Fig. 5.
Fig. 6 ist ein schematischer Vergleich zwischen der herkömmlichen Induktionsspule relativ zum Teil und der Induktionsspule gemäss einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Um ein Verstehen der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird jetzt Bezug genommen auf die in den Zeichnungen illustrierte Ausführungsform und eine spezifische Sprache wird verwendet werden, um dieselbe zu beschreiben.
Bezugnehmend auf Fig. 1, ist ein Blockdiagramm 10 einer Induktionsmaschine zur Verwendung in der Induktionseinsatzhärtung von Maschinenkomponenten, wie Getrieben, erläutert. Der Arbeitsplatz 11 umfasst alle Teilhandhabungskomponenten, Spindeln, Laufschienen, einige der elektrischen Komponenten wie Transformer, das Komponententeil (Werkstück), Induktionsspule(n) und den Abschreckungsarbeitsplatz wie durch Block 12 dargestellt. Wie hiernach beschrieben wird, sollte das induktionszuhärtende Komponententeil die zu vollziehenden speziellen Verfahrensschritte bestimmen, um die Mikrostruktur des beendeten, induktionsgehärteten Teils zu optimieren. In einigen Fällen werden sowohl Hochfrequenz (R.F.) als auch Niederfrequenz (N.F.) angewendet, während für andere Teile nur R.F. verwendet wird. Zu diesem Zweck stellt die Fig. 1 die Anwesenheit sowohl eines R.F.-Generators 13 als auch eines N.F.- Generators 14, die an den Arbeitsplatz gekoppelt sind, schematisch dar. Die eigentliche Koppelung dieser R.F.- und N.F.-Generatoren besteht zu ihren entsprechenden Induktionsspulen, entweder eine einzelne R.F.-Spule oder sowohl eine R.F.- als auch eine N.F.-Spule, in Verbindung verwendet und beim Arbeitsplatz angeordnet. Der Steuerungsblock 15 stellt die Bedienersteuerung und die Schnittstellenelektronik für den Rest der Maschine dar. Diese Steuerung bildet die Schnittstelle sowohl für Tätigkeiten am Arbeitsplatz als auch für die R.F.- und N.F.-Generatoren dar.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Induktionsmaschine mit einer Computer/Mikroprozessorsteuerung verbunden, die es der Maschine ermöglicht, automatisch mittels Masch ineneinstellungen und Befehlen betrieben zu werden, die dem Maschinensteuerungsplatz durch ein Dateneingabemittel, wie z.B. eine Diskette, eingegeben werden. Mit der mit Daten bezüglich jeder Verfahrenszeit, jedes Verfahrensablaufs, Leistungsstufen, Bewegungsdaten des Teils usw. vorbereiteten Diskette, läuft das ausgewählte und programmierte Maschinenverfahren mittels dieser Computersteuerungs-Schnittstelle automatisch ab. Wegen des kritischen Ablaufs der Ereignisse und der Wichtigkeit von genau gesteuerten Zeiten, genauen Zeitintervallen, Leistungsstufen und Temperatur wird die die Induktionsmaschineneinstellungen und die Maschinenvariablen vollständig integrierende Computersteuerung als wesentlich angesehen und als das einzige Mittel, um die optimalen Mittel zur Umfangshärtung des Komponententeils bereitzustellen, wenn die technischen Daten der Induktionsspule und die Maschineneinstellungen einmal hergeleitet sind.
Bezug nehmend auf Fig. 2, ist ein Flussdiagramm 20 erläutert, das den Ablauf der Hauptschritte darstellt, die in einigen der typischen Verfahren, die in der Induktionshärtungsmethode der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des durch Block 21 dargestellten mathematischen Algorithmus oder Computer-Algorithmus benutzt werden können, auftreten. Ursprüngliche Komponententeildaten, dargestellt durch den Block 21A, werden der Komponententeil- Blaupause oder anderen möglicherweise vorhandenen Datenblättern mit den technischen Daten des Teils entnommen. Als Alternative kann das Teil untersucht werden und gewisse Daten von den Körpereinzelheiten hergeleitet werden. Die Art des Teils bestimmt das ausgewählte spezielle Verfahren, dargestellt durch Block 21B. Diese Komponententeildaten und Verfahrensauswahl werden dann in den mathematischen (Computer)-Algorithmus eingegeben, der via Computer-Software ausgeführt und verwendet wird, um die bevorzugten Spulenkonstruktionsparameter (Block 22) zu berechnen und die geeignete Maschineneinstellung (Block 23) für die Induktionsmaschine herzuleiten, die die konstruierte(n) Spule(n) (Block 22A) und das Komponententeil aufnehmen wird.
Im Falle, dass sowohl N.F.- als auch R.F.-Spulen verwendet werden, abhängig vom gewählten Verfahrensablauf, werden dann die im Block 22 berechneten Spulenkonstruktionsparameter für beide Spulen übersetzt. Der mathematische Algorithmus, der als auf einem PC oder einem ähnlichen System zu betreibende Computer- Software strukturiert ist, besteht aus einer Serie von Formeln und Gleichungen, die Komponententeildaten verwenden, die bei verschiedenen Teilen variieren, wie die Teileinzeilheiten variieren, wobei sie so die Erzeugung der technischen Daten der Induktionsspule und der Maschineneinstellungen und der Steuerung ermöglichen, die genau auf das spezifische Komponententeil zugeschnitten sind und die leicht verändert und zurückgestellt werden können, wenn das gewählte Komponententeil ändert. Die Maschineneinstellungen sind auf einer Diskette (Block 25) programmiert, die in die Computersteuerungseinrichtung der Induktionsmaschine (Block 30) geladen wird.
Informationen wie die Zähneanzahl, die diametrale Steigung, der Eingriffswinkel und die Stirnbreite sind nur einige der Komponententeildaten (für Getriebe), die der Pause oder dem technischen Datenblatt entnommen und in der Berechnung von Induktionsspulenparametern und Induktionsmaschineneinstellungen verwendet werden. Das Computerprogramm, das zur Behandlung der Komponententeildaten verwendet wird, ist am Ende der Beschreibung dargelegt und als "Liste A" identifiziert. In diesem Programm identifizieren die Anweisungen 140 bis 280 die ausgewählten Komponententeildaten zur Induktionshärtung eines Getriebes.
Offensichtlich werden verschiedene Komponententeilvariablen für verschiedene Arten von Teilen ausgewählt, aber diese besondere Offenbarung konzentriert sich hauptsächlich auf Getriebe, die die Mehrheit der Maschinenkomponententeile bilden, die eine Einsatzhärtung erfordern. Die primären Eingabedaten des Teiles (Block 21A) werden abwechslungsweise zur Berechnung der entsprechenden Daten (Block 24) betreffend des Getriebes oder des entsprechenden Komponententeils verwendet. Wenn die Induktionshärtungsmaschine mit einer numerischen oder Mikroprozessor-Steuerungsart ausgestattet ist, die kompatibel mit Disketten oder ähnlichen Datenspeicherungsmitteln ist, wie es der Fall ist bei der bevorzugten Ausführungsform, können die hergeleiteten Maschineneinstellungen auf solch einer Diskette (Block 25) oder auf einer anderen passenden Dateneingabeform plaziert und dann direkt in die Maschine (im Block 30) eingegeben werden, um die Maschinenvariablen automatisch festzusetzen, zu steuern und anzupassen.
Sind die Komponententeildaten einmal hergeleitet, die Berechnungen gemacht, die spezifisch konstruierte(n) Spule(n) hergestellt und am Arbeitsplatz auf der Maschine angebracht, und die Diskette programmiert und geladen, wird das Induktionshärtungsverfahren gestartet. In Fig. 2 sind vier verschiedene Verfahrensabläufe beschrieben, die ihre Eignung bewiesen haben, je nach der besonderen Teilgeometrie und den spezifischen Teildaten. Das Verfahren "A" (Block 26) beinhaltet Doppelfrequenzinduktion (R.F. und N.F.), bei welcher das Teil zuerst einem Niederfrequenz-Vorheizschritt via einer ersten Spule und dann einem endgültigem Hochfrequenz (R.F.)-Heizungsschritt via einer zweiten Spule ausgesetzt ist. Wie bemerkt, wird der Anlaßschritt auch durch Niederfrequenzinduktion vollbracht. lm Verfahren "B" (Block 27) werden sowohl der Vorheizschritt als auch der endgültige Heizungsschritt durch Hochfrequenzinduktion vollbracht. Das Vorheizen wird durch Hochfrequenzpulse vollbracht, während die endgültige Heizung durch die Anwendung einer kontinuierlichen Hochfrequenz vollbracht wird. Das Verfahren "B", was auch für Verfahren "A" gilt, benützt eine Niederfrequenzanlassung.
Block 28 illustriert den Schritt für das Verfahren "C", der eine gepulste Hochfrequenzvorheizung, gefolgt von einer endgültigen Hochfrequenzheizung einschliesst. Der einzige Unterschied zwischen Verfahren "B" und Verfahren "C" ist, dass das Verfahren "C" gepulste Hochfrequenzinduktion für den Anlaßschritt verwendet. Das vierte und letzte als Beispiel von einigen der Verfahrensvariationen, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, ausgewählte Verfahren ist in Block 29 dargestellt und als Verfahren "D" identifiziert. Der einzige Unterschied zwischen Verfahren "D" und Verfahren "C" ist, dass das Verfahren "D" einen zusätzlichen Vorheizschritt vor der endgültigen Hochfrequenzheizung beinhaltet. Dieser zusätzliche Schritt zum anfänglichen Vorheizschritt wird durch gepulste Hochfrequenzinduktion ausgeführt. Die Auswahl eines speziellen Verfahrens wird durch die Teilkonfiguration und verbundene Aspekte wie die diametrale Steigung von Getrieben bestimmt.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das induktionszuhärtende Komponententeil am Arbeitsplatz 11 relativ zu der Spule (den Spulen) angeordnet. Das Komponententeil wird rotiert , während die Spule stationär bleibt. Es ist möglich, das Komponententeil zwischen vertikalen Zentrierspitzen (siehe Fig. 6) oder auf oberen oder unteren Befestigungszentrierspitzen oder Befestigungsvorrichtungen festzumachen. Das Teil beginnt an einer oberen oder ganz zuoberst liegenden Stelle, und es wird Schritt für Schritt abwärts und axial von der ersten Spule in eine zweite Spule, wenn benützt, und wieder abwärts zum Abschreckungsort indexiert. Die Anlassung wird durch eine der für die Vorheizung oder endgültige Heizung verwendeten Spulen ausgeführt. Um die gewünschte Induktionsheizung zu vollbringen, muss die Spule um das ausgewählte Komponententeil herum und nahe an der äusseren Oberfläche angeordnet werden. Folglich muss die Gesamtheit der Grösse und des Umrisses des Teiles berücksichtigt werden, um zu entscheiden, ob das Teil physisch durch die Vorheizspule durchpasst, um es abwärts und axial zu der Endheizungsspule oder zur Abschreckung zu verschieben. Wenn irgendein Abschnitt des Teils grösser ist als die zu härtende Oberfläche, ist es nicht möglich, das Werkstück durch die Spule hindurch von einer Stelle zu einer anderen zu verschieben. Wenn diese Teilbewegung beschränkt ist, dann wird Verfahren "C" gewählt, da es dort keine zweite Spule gibt und die ganze Heizung durch eine einzige Hochfrequenzinduktionsspule vorgenommen wird. Es ist wichtig zu erkennen, dass axiale Symmetrie und konzentrische Anordnung der Spulen mit den Zentrierspitzen und dem Abschreckungsplatz notwendig sind, um eine genaue und scharfe Teilbewegung während des ganzen Verfahrens aufrechtzuerhalten.
Andere bei der Auswahl eines speziellen Verfahrens mitspielende Überlegungen beinhalten die diametrale Steigung des Getriebes und die verfügbare Generatorleistung. Verfahren "A" wird zum Beispiel für ein Getriebe mit einer diametralen Steigung von 4-10 bevorzugt, wenn es die Komponententeilform erlaubt. Für diametrale Steigungen von 10.1 bis 24 sind entweder Verfahren "B" oder Verfahren "C" akzeptabel, wieder annehmend, dass es die Komponententeilform erlaubt. Für eine diametrale Steigung von zwischen 3 und 6 kann Verfahren "D" anstelle von Verfahren "A" verwendet werden, abhängig von dem verfügbaren Generator und seiner Leistungsstufe. Ist das Verfahren einmal ausgewählt, werden eine Anzahl von Teilvariablen identifiziert, die via "Liste A" behandelt werden, wie z.B. Zähneanzahl und Stirnbreite.
Es wird bevorzugt, sowohl Niederfrequenzanlassung (Verfahren "A" und "B") als auch Niederfrequenzvorheizung auszuführen, und daher werden Verfahren mit diesen Einstellungen anfänglich bevorzugt. Wenn ein Teil wegen der Wattleistung des Generators nicht genügend Generatorleistung erhält, dann wird der extra Vorheizschritt in Verfahren "D" ein akzeptables Teil erzeugen, ohne dass es nötig ist, einen neuen Generator mit einer höheren Leistung zu erwerben.
Der Niederfrequenzgenerator 14 hat einen Frequenzbereich von ungefähr 3-10 kHz, und die durch diese Niederfrequenzinduktion erzeugte Heizung beginnt tief innerhalb des Teils und bewegt sich nach aussen in Richtung der äusseren Oberfläche des Teils. Es ist möglich, eine spezielle Frequenz innerhalb des 3-10 kHz-Bereichs auszuwählen, anstatt einen variablen Bereich zu verwenden, aber eine feste Frequenz ist wirklich nur eine Option, wenn ein einzelnes Kopmponenteil zu härten ist und nicht eine Vielfalt von Teilen. Die Wattleistung des Niederfrequenzgenerators ist fixiert auf 100 kW unter Verwendung eines Festkörperwechselrichters.
Der Hochfrequenz (R.F.)-Generator 13 hat einen Frequenzbereich von ungefähr 100-300 kHz. Die Wattleistung dieses Hochfrequenzgenerators ist eine Variable zwischen 200 und 900 kW.
Obwohl vier verschiedene Verfahrensabläufe vorgeschlagen worden sind, ist es möglich, Schritte von den vier Verfahren zu mischen, um weitere Permutationen von Verfahrensschritten über die durch die Prozesse "A" bis "D" vorgeschlagenen hinaus zu erzeugen.
Bezugnehmend auf die Figuren 3 und 3A sind die Verfahrensschritte des Verfahrens "A" in Fig. 2, die Rückwirkungslogiken enthalten, im Verhältnis zu Teilen, die anfänglich gemäss der Formelserie des Computer-Algorithmus und dem speziellen Verfahren behandelt werden, in den Einzelheiten beschrieben. Die Berechnung von Spulenkonstruktionsparametern und Induktionsmaschineneinstellungen für das spezielle Teil ist durch die Formelserie vorgenommen worden, die Maschinenvariablen sind festgesetzt (Block 32) und die Diskette ist in die Induktionsmaschine geladen, die computergesteuert oder computersteuerbar ist. Das Teil wird als nächstes auf die Maschine geladen und die speziell hergestellten Induktionsspulen am Arbeitsplatz angeordnet.
Im Verfahren "A" ist der erste Schritt eine Niederfrequenzinduktionsvorheizung beim Block 33. Auf diesen Schritt folgt eine endgültige Heizungsstufe beim Block 39, Abschreckung beim Block 44 und eine Niederfrequenzanlassung beim Block 56. Die zahlreichen gestrichelt dargestellten Blöcke und die verbindenden gestrichelten Pfeile repräsentieren Überwachungs-, Überprüfungs- und Rückwirkungsfunktionen. Jedoch sind diese Funktionen nur eine Option und werden nicht benötigt, bevor mehrere hundert oder tausend Zyklen auf einer neuen Maschine durchgeführt worden sind. Nach dem Vorheizschritt sollte das Teil eine vorbestimmte Temperatur haben, basierend auf dem Material des Teils und auf den Bedürfnissen für eine korrekte Wärmebehandlung. Die Teiltemperatur wird beim Block 34 automatisch geprüft, und abhängig von dieser Temperatur stehen drei Optionen für den nächsten Schritt zur Verfügung. Ist die Teiltemperatur zu niedrig, wird die Leistung der Induktionsspule erhöht, logischer Weg 35, und das nächste Teil wird behandelt. Ähnlich wird, wenn die Teiltemperatur zu hoch ist, die Leistung reduziert, logischer Weg 36, und das nächste Teil wird behandelt. Diese Leistungsanpassungen können so oft wie gewünscht (X-mal) gemacht werden, bis die korrekte Leistungsstufe bestimmt ist. Wenn jedoch mehr als zwei oder drei Versuche erforderlich sind, um die korrekte Leistungseinstellung zu versuchen und zu erlangen, dann gibt es wahrscheinlich Probleme oder Schwierigkeiten mit der Ausstattung, und die Maschine sollte angehalten werden, um den Niederfrequenzgenerator oder den Messfühler zu überprüfen.
Dem dritten logischen Weg 37 wird gefolgt, wann immer die Teiltemperatur innerhalb der Toleranz der vorbestimmten Stufe ist. Diese spezielle Temperatur wird gespeichert, und das Teil geht über zu der endgültigen Heizung (Block 39).
Nach dem endgültigen Heizungsschritt (Hochfrequenz) beim Block 39 beginnt die Teiltemperaturüberprüfung von neuem. Dieselben drei logischen Wege 40, 41 und 42 sind vorhanden, und die Anzahl von Wiederholungsversuchen wird als Variable "X" festgesetzt. Wenn die Teiltemperatur zu niedrig ist, wird die Leistung via dem logischen Weg 40 erhöht. Wenn die Temperatur zu hoch ist, wird die Leistung via dem logischen Weg 41 reduziert. In beiden Fällen durchläuft ein anderes Teil die endgültige Heizungsstufe und die Teiltemperatur wird wieder überprüft, bis die Leistungsstufe bestimmt und die Teiltemperatur innerhalb der Toleranz ist. Ein akzeptables Teil, basierend auf der Teiltemperatur, gelangt via dem logischen Weg 42 zu einer Zwischenstufe 43 vor der Abschreckung (Block 44). Bei der Stufe 43 wird das Energiekontrollgerät überprüft, und wenn irgendeine Ablesung entweder oberhalb oder unterhalb der ausgewählten Stufe gefunden wird, wird die Seriennummer des Teils gespeichert (Block 45). Alle Teile, die beim Block 46 ankommen, gehen weiter zu Block 47 (entweder direkt oder via Block 45) und von dort zur Abschreckung.
Der Abschreckungsschritt, illustriert durch Block 44, beinhaltet sowohl Druck- als auch Temperaturbelange. Wenn der Druck nachfolgend auf die Abschreckung zu niedrig ist, wird die Pumpe überprüft (logischer Weg 50) und wenn an diesem Punkt ein Problem ist, wird die Maschine angehalten. Wenn der Druck zu hoch ist, werden die Filter A und B umgeschaltet (logischer Weg 51), so dass ein Filter gereinigt werden kann, während der andere Filter im Verfahren verwendet wird. Auf eine akzeptable Druckablesung beim Block 52 folgt eine Temperaturüberprüfung mit zwei Anpassungen für eine Temperatur, die entweder zu hoch oder zu niedrig ist. Eine akzeptable Temperaturablesung beim Block 53 leitet das Teil weiter zur Anlassung, nachdem die Druck- und Temperaturablesungen gespeichert worden sind (Block 54). Durch das Versehen des Abschreckungsarbeitsplatzes mit zwei Filternetzwerken, die umschaltbar und mit der Pumpe zusammenwirkend angeordnet sind, ist ein Ersatz vorhanden, wenn ein Filter verschmutzt wird.
Der Anlaßschritt (Block 56) ist mit zwei Rückwirkwegen 57 und 58 illustriert. Die Teiltemperatur wird beim Block 59 überprüft und entsprechend wird die Leistung entweder erhöht oder reduziert und das nächste Teil behandelt. Wenn zuviele Versuche nötig sind, um auf die richtige Leistungsstufe einzusteuern, um die gewünschte Teiltemperatur zu erreichen, wird die Maschine angehalten und der Generator oder der Messfühler überprüft. Eine akzeptable Temperatur wird gespeichert (Block 60) und das nächste Teil wird behandelt. Ensprechenden logischen Flusswegen wird in den Verfahren B, C und D gefolgt, jedoch mit verschiedenen Schritten bei der Vorheizstufe.
Obwohl die vorhergehende Beschreibung eine Pröbelmethode suggerieren mag, ist es unwahrscheinlich, dass die zahlreichen Rückwirkungsschlaufen erforderlich sein werden für mehrere hundert, wenn nicht mehrere tausend Maschinenzyklen in Anbetracht der Genauigkeit der hergeleiteten Formeln zur Bestimmung der Induktionsspulenparameter und Maschineneinstellungen für jedes ausgewählte Teil und der Wiederholbarkeit der Maschineneffizienz. Nur nach zahlreichen wiederholten Zyklen können die Maschinenteile mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit einen Effizienzabbau erfahren. Erst nach solchen zahlreidhen Zyklen muss die Verwendung der Rückwirku ngsschlaufen in Betracht gezogen werden. Ausserdem wird das in den Rückwirkungsschlaufen geleistete Überwachen und Überprüfen automatisch durch die Computersteuerung und die Gomputerplatten-Software durchgeführt. Obwohl jedes unterschiedlich geformte Teil, das mittels der Serie von Formeln und Gleichungen, die den mathematischen Algorithmus bilden, behandelt wird, verständlicherweise in einem unterschiedlichen Satz von Spulen- und Maschinendaten resultiert, können die Formeln denkbar jede beliebige Art von Teil behandeln. Die Komponententeilvariablen werden durch die Formeln ausgewählt und behandelt, so dass eine optimale Einsatzhärtung, begleitet von dem wünschenswertesten Satz von Materialeigenschaften für das Grundmetall, resultiert. Ausserdem, während es zahlreiche Variablen für die Spulenkonstruktion und zahlreiche Maschineneinstellungen gibt, ist die einzige Anpassung, die vorgenommen wird, und dies mittels den Rückwirkungsschlaufen nach tausenden von Zyklen, die Leistung. Dies ist eine Anpassung, die automatisch gemacht werden kann. Die Gültigkeit der zur Berechnung der Spulenparameter und der Maschineneinstellungen verwendeten Formelserie ist so hoch und die Resultate so genau, dass alle anderen Einstellungen intakt gelassen werden, und die minimale Menge von "Feineinstellung" wird nur durch eine Leistungsvariation vorgenommen.
Die Serie von Rechenformeln ist für eine leichte Dateneingabe und -berechnung in einem Computerprogramm (Programm A) angeordnet. Manuelles Berechnen ist natürlich eine Option durch Nachvollziehen der Computerprogrammlogik und -gleichung, aber manuelles Berechnen ist weder ebenso schnell noch ebenso bequem wie die Verwendung des Computerprogramms. Beschreibungstext wurde als Teil der Programmliste direkt in den Körper des Programms eingeschlossen, um die Variablen und die vielfältigen Berechnungsschritte, die vollzogen werden müssen, verstehen zu helfen. Der Fluss, die logischen und eigentlichen Gleichungen und Formeln sind klar dargestellt und die resultierende Berechnung basierend auf Komponententeilparametern und -eigenschaften ist bei Nachvöllziehung der Programmschritte und Dateneingaben vollständig beschrieben.
Wenn dieses Hauptprogramm ("Liste A") für ein spezielles Teil ausgeführt wird, können zwei zusätzliche Ausdrucke erzeugt werden. Diese zwei Ausdrucke sind am Ende dieser Beschreibung und vor den Patentansprüchen auch aufgeführt. Der erste Ausdruck ist mit "Liste B" betitelt und gibt via drei getrennten Unterlisten Eingabedaten, Getriebedaten und Spulendaten. Für eine hypothetische Firma und ein hypothetisches Teil wurde das Hauptprogramm ausgeführt und eigentliche Daten wurden erzeugt und nur zur Illustrierung aufgelistet. Die Spulendaten sowohl für Niederfrequenz (N.F.) als auch für Hochfrequenz (R.F.)-Spulen sind aufgelistet. Diese Spulendaten werden für die Konstruktionsvariablen angewandt, die für die Niederfrequenzspule 70 (Figuren 4, 4A und 4B) und die Hochfrequenzspule 71 (Figuren 5, 5A und 5B) gezeigt sind. Durch Einsetzen der eigentlich hergeleiteten numerischen Werte für diese Spulenvariablen (A, B, C, etc.), wie in den entsprechenden Figuren gefunden, sind genügend Konstruktionsdaten und Dimensionsinformationen vorhanden, um die geforderte(n) Induktionsspule(n) herzustellen. Die entworfenen Spulen 70, 71 werden dann hergestellt und als Resultat des genauen Algorithmus, der verwendet wird, wird (werden) die Spule(n) ein einziges Mal an das spezifische Teil angepasst.
Die zweite vom Hauptprogramm erzeugte Liste wird mit "Liste C" betitelt und druckt alle Maschinenvariablen, die festgesetzt werden müssen. Diese Liste liefert auch Schritt-für-Schritt- Anweisungen betreffend der Maschineneinstellungen, die gemacht werden müssen, wann und in welchem Ablauf. Diese Einstellungen werden alle genau und automatisch mittels Laden der erzeugten Diskette in die Oomputersteuerung, die mit der Maschine verbunden ist, vorgenommen.
Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer geneigten oder gewinkelten Induktionsspule, die um das Teil herum angeordnet wird, und eine Rotation des Teiles mit ungefähr 600 Umdrehungen pro Minute, während die Spule stationär bleibt. Diese Spulenkonfiguration ist in der Fig. 6 illustriert und schematisch relativ zu einer herkömmlichen Spule 72 auf demselben Teil 73 dargestellt. Bei der traditionellen Methode oder der Methode des früheren Standes der Technik formt die Induktionsspule im allgemeinen einen geraden Zylinder oder ein zylindrisches Rohr mit einer axialen Höhe, die ungefähr dieselbe ist wie das zu härtende Gebiet des Teils. Das Teil wird mit einer langsameren Geschwindigkeit, ungefähr 50 Umdrehungen pro Minute, rotiert. Diese Bedingungen bewirken eine schlechte Qualität der Einsatzhärtung, die tief in das Grundmetall des Teils eindringt. Bei Getrieben und entsprechenden Zahnkomponenten werden diese Zähne zu spröde und können brechen oder rissig werden. Durch die Verwendung der gewinkelten Induktionsspule 74 und einer viel höheren Umdrehungszahl des Teils pro Minute, 600 Umdrehungen pro Minute im Gegensatz zu ungefähr 50 in Vorrichtungen des früheren Standes der Technik, wird die Einsatzhärtung extrem gleichmässig und liefert wahrhaftig einen gehärteten Mantel von gleichmässiger Dicke um das Grundmetall herum, das seine wünschbare Festigkeit, Materialdehnbarkeit und Teileigenschaften behält. Diese Methoden des früheren Stands der Technik und die Konfiguration der vorliegenden Erfindung mit dieser Methode der gewinkelten Induktionsspulen sind in der Fig. 6 verglichen.
Die gewinkelte Induktionsspule wird am besten beschrieben als ein spiralförmig geschnittener, kreisförmiger Ring mit geraden und im wesentlichen parallelen inneren und äusseren Wänden 75 respektive 76.

Claims

1. Verfahren zur Induktionshärtung eines Werkstücks durch Erhitzen des Werkstücks durch Induktion, unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit mindestens einer Induktionsspule und durch Abschreckung des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

(a) Bestimmung eines mathematischen Algorithmus zur Berechnung der technischen Daten der Induktionsspule und der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine, die der optimalen Induktionshärtung des genannten Werkstücks entsprechen, in Abhängigkeit der technischen Daten des Werkstücks;

(b) Bestimmung der spezifischen Daten für das durch Induktion zu härtende Werkstück;

(c) Verwendung der so bestimmten spezifischen Daten zur Berechnung der genannten Induktionsspulendaten und der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine für das genannte Werkstück gemäss dem genannten Algorithmus;

(d) Bereitstellung mindestens einer Induktionsspule, welche die so berechneten technischen Daten besitzt und Verbringung derselben auf die genannte Induktionshärtungsmaschine; und

(e) Durchführung des Induktionshärtungsverfahrens für das genannte Werkstück gemäss den so berechneten Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst, die darin bestehen, die Induktionshärtungsmaschine mit einer Computersteuerungs-Schnittstellenvorrichtung zu versehen, um die Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine zu bestimmen und zu überwachen, und die genannten berechneten Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine in diese Schnittstellenvorrichtung einzugeben.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt umfasst, die genannten Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine auf einer Computerplatte aufzuzeichnen und die genannte Platte in die genannte Schnittstellenvorrichtung einzuführen.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine, die mit einem Hochfrequenzgenerator und einem Abschreckungs-Arbeitsplatz versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Daten der durch Induktion zu härtenden Getriebe deren diametrale Steigung, deren Zähneanzahl und deren Stirnbreite umfassen.

5. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4 zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Niederfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln, um den genannten Hochfrequenzgenerator und den genannten Niedertrequenzgenerator jeweils elektrisch mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule und einer Niederfrequenz- Induktionsspule zu verbinden, dadurch gekennZeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

(a) Verwendung der spezifischen Daten des durch Induktion zu härtenden Getriebes, zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der technischen Daten der Induktionsspulen der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz- Induktionsspulen gemäss dem genannten Algorithmus;

(b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben mit dem genannten Hochfrequenzgenerator bzw. dem genannten Niederfrequenzgenerator, unter Verwendung der genannten jeweiligen Verbindungsmittel;

(c) Durchführung eines Niederfrequenz-Vorheizschrittes unter Verwendung der genannten Niederfrequenz-Induktionsspule;

(d) Durchführung des endgültigen Hochfrequenz-Heizungsschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule;

(e) Durchführung eines Abschreckungsschrittes an dem genannten Abschreckungs-Arbeitsplatz; und

(f) Durchführung eines Niederfrequenz-Anlass-Schrittes unter Verwendung der genannten Niederfrequenz-Induktionsspule.

6. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4 zum Induktionshärten von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Niederfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln, um den genannten Hochfrequenzgenerator und den genannten Niederfrequenzgenerator jeweils elektrisch mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule bzw. einer Niederfrequenz- Induktionsspule zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

(a) Verwendung der spezifischen. Daten des durch Induktion zu härtenden Getriebes, zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der Induktionsspulendaten der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen entsprechend dem genannten Algorithmus;

(b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspulen mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben jeweils mit dem genannten Hochfrequenzgenerator bzw. dem genannten Niederfrequenzgenerator unter Verwendung der genannten jeweiligen Verbindungsmittel;

(c) Durchführung eines Hochfrequenz-Vorheizschrittes mit einem Hochfrequenz-Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule;

(d) Durchführung des endgültigen Hochfrequenz- Heizungsschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule;

7. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4 zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln zur elektrischen Verbindung des genannten Hochfrequenzgenerators mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

(a) Verwendung spezifischer Daten des durch Induktion zu härtenden Getriebes, zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der Induktionsspulendaten der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule gemäss dem genannten Algorithmus;

(b) Bereitstellung der genannten Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Induktionsspule mit den so berechneten Spulendaten und elektrische Verbindung derselben mit dem genannten Hochfrequenzgenerator unter Verwendung der genannten Verbindungsmittel;

(d) Durchführung eines endgültigen Hochfrequenz- Heizschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule;

(f) Durchführung eines Hochfrequenz-Anlass-Schrittes mit einem Hochfrequenz-Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule.

8. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4 zur Induktionshärtung von Getrieben unter Verwendung einer Induktionshärtungsmaschine mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Niederfrequenzgenerator, einem Abschreckungs-Arbeitsplatz und Mitteln zur elektrischen Verbindung des genannten Hochfrequenzgenerators und des genannten Niederfrequenzgenerators, jeweils mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule bzw. einer Niederfrequenz-Induktionsspule, dadurch gekennzeichet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

(a) Verwendung spezifischer Daten des Getriebes, das durch Induktion gehärtet werden soll, zur Berechnung der Einstellungen der Induktionshärtungsmaschine und der Induktionsspulendaten der genannten Hochfrequenz- bzw. Niederfrequenz- Induktionsspule gemäss dem genannten Algorithmus;

(d) Durchführung eines Hochfrequenz-Vorheizschrittes mit einem Hochfrequenzenergieimpuls unler Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule;

(e) Durchführung eines endgültigen Hochfrequenz- Heizschrittes unter Verwendung der genannten Hochfrequenz- Induktionsspule;

(f) Durchführung eines Abschreckungsschrittes an dem genannten Abschreckungs-Arbeitsplatz; und

(g) Durchführung eines Hochfrequenz-Anlass-Schrittes mit einem Hochfrequenz-Energieimpuls unter Verwendung der genannten Hochfrequenz-Induktionsspule.