DE69027317T2

DE69027317T2 - Vakuumofen

Info

Publication number: DE69027317T2
Application number: DE69027317T
Authority: DE
Inventors: Michael Norman Croker; Michael George Ellis
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1990-03-29
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2010-03-30
Also published as: WO1990012266A1; ES2087909T3; EP0467898B1; DE69027317T3; DE69027317D1; EP0467898A1; US5251231A; EP0467898B2; ATE139025T1; GB8907994D0; ES2087909T5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch geheizten Vakuumofen zur wärmebehandlung von Metallteilen mit: einem Druckkesselgehäuse, wobei das Gehäuse eine Längsausdehnung hat; Halteeinrichtungen zur Positionierung der mit Wärme zu behandelnden Metallteile in einer zu der Längsausdehnung des Gehäuses parallelen Anordnung; und eine Vielzahl von Heizelementen in dem Gehäuse, wobei die Heizelemente räumlich auseinander in einer ersten Richtung, die im Lot zur Längsausdehnung des Gehäuses ist, und parallelliegend zu der Längsausdehnung angeordnet sind, wobei sich die Heizelemente in einer zweiten Richtung, die im Lot zur Längsausdehnung und zu der ersten Richtung ist, erstrecken, um parallel zu der Längsausdehnung liegende Seiten zu haben, wobei die Heizelemente mit den Teilen, die durch die Halteeinrichtungen positioniert sind, verschachtelt sind.
Konventionell sind die elektrischen Heizelemente in solchen Öfen nahe anliegend an den Wänden des Ofens angeordnet, wobei die Elemente entweder schlängelnd gewundene, lange und dünne Widerstandselemente oder polsterartige gesinterte Widerstandselemente aufweisen, die um die innere Peripherie des Ofens herum angebracht sind. Vakuumöfen haben einen Druckkessel, in dem Isolierelemente angebracht sind, um eine Wärmeübertragung auf die Wände des Druckkessels zu minimieren, um die Unversehrtheit des Vakuums, unter dem der Kessel im Gebrauch operiert, zu schützen.
Aus der FR-A 20 67 967 ist ein Vakuumofen zur Wärmebehandlung mit einer Ofenkammer und mit zwei Reihen aus elektrischen Heizelementen bekannt, die innerhalb der Ofenkammer entlang gegenüberliegender Seiten angeordnet sind. Die Heizelemente sind als flache Platten gebildet, die ziemlich nah an den parallelen Seitenwänden der Ofenkammer angeordnet sind und daher Strahlungshitze nicht nur direkt an die Werkteile abgeben, die in der Mitte der Ofenkammer zwischen den beiden Reihen angeordnet sind, sondern auch an die inneren Ofenwände. Ein ähnlicher Ofen, der stabartige elektrische Heizelemente verwendet, ist aus der US-A 4,398,702 bekannt.
Aus der CH-A 298 669 ist bekannt, innerhalb einer Ofenkammer eine Vielzahl von Heizelementen zu verwenden. Jedoch geben auch diese Heizelemente ihre Strahlungshitze nicht nur an die Werkteile, sondern auch an die Innenwände der Ofenkammer ab. Daher tritt im Zentrum der Ofenkammer ein Wärmeenergieverlust auf.
Werden mehrere Werkteile in den bekannten Öfen behandelt, es sei denn, sie sind alle in gleichem Abstand von den Heizelementen positioniert, kann eine uneinheitliche Wärmebehandlung der Ladung auftreten. Weiterhin kann eine Überdeckung der auf besondere Werkteile abgegebenen Strahlungshitze auftreten, was zu einer unzureichenden Wärmebehandlung dieser Teile führt.
Zusätzlich ist die Bestrahlung mit unterschiedlicher Hitze von gewissen Arten von Werkteilen schwierig, in zufriedenstellender Weise zu erreichen.
Um diese Probleme zu lösen, weist ein elektrisch geheizter Vakuumofen gemäß der Erfindung die in dem charakterisierenden Teil des Anspruchs 1 angeführten Eigenschaften auf.
Zusätzlich kann der Ofen eine Vielzahl von innerhalb des Ofens in abschirmendem Verhältnis zu ausgewählten Teilstücken der in dem Ofen zu behandelnden Teile verstellbar angeordnete Abschirmbereiche beinhalten, wobei ein unterschiedliches Erhitzen von Abschnitten der Teile erreicht werden kann. Alternativ kann der Ofen eine Vielzahl von Abschirmbereichen beinhalten, die innerhalb des Ofens in abschirmendem Verhältnis zu aus mehreren Komponentenschichten ausgewählten Schichten verstellbar angeordnet sind, wobei die Teile in verschiedenen Schichten in dem Ofen noch einheitlich erhitzt und gekühlt werden können.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß eine Temperaturreduzierung der Heizelemente im Vergleich zu bekannten Techniken eher durch Verteilen der Wärmestrahlquellen durch den Ofen als durch ihr Anordnen allein um die Peripherie erreicht werden kann. Die Technik erspart auch den Bedarf an komplexen und kostenintensiven Gaskreislaufsystemen, die benötigt werden, um die Aufheizzeiten und Temperaturgleichmäßigkeiten in den niedrigen Temperaturbereichen (schwarze Strahlung) zu verbessern, indem die Werkteile mit engem Zwischenraum von den Heizelementen angeordnet werden können.
Zwei Beispiele eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebrauten Ofens werden jetzt unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:-
Fig. 1 ein diagrammartiger Querschnitt durch ein erstes Beispiel eines Vakuumofens ist;
Fig.2 ein diagrammartiger Längsschnitt durch den Ofen aus Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein diagrammartiger Querschnitt eines zweiten Beispiels eines Vakuumofens ist; und
Fig. 4 ein diagrammartiger Planschnitt durch den Ofen aus Fig. 3 ist.
Der Ofen aus dem ersten Beispiel ist in den Figuren 1 und 2 aus Einfachheit diagrammartig gezeigt. Der Ofen hat ein langes, röhrenförmiges Gehäuse 1, das einen Druckkessel aufweist, so daß der Ofen in Gebrauch entleert werden kann. Da die Entleerung des Ofens keinen Teil dieser Erfindung bildet, sind hiermit verbundene Teile weder beschrieben noch in den Zeichnungen gezeigt.
Der Ofen hat eine Vorderöffnung 2 und eine Hinteröffnung 3, durch die in dem Ofen wärmezubehandelnde Teile jeweils eingeladen und aus dem Ofen ausgeladen werden können. Luftdichte Türen (nicht gezeigt) sind eingebaut, um die Enden des Druckkessels abzudichten. Eine Ladekammer und eine Kühlkammer (nicht gezeigt) können direkt jeweils vor oder hinter dem Ofen angeordnet sein, wobei sie mit dem Inneren des Ofens durch die Öffnungen 2,3 in Verbindung stehen.
Vorzugsweise beinhaltet der Ofen einen Mechanismus 4, mittels dessen mehrere Werkteile schnell und wirksam in den Ofen eingeladen und aus ihm ausgeladen werden können. In dem Beispiel weist dieser Mechanismus eine Zahnstange und einen Ritzelantrieb auf, die schematisch dargestellt sind, wobei das Ritzel 5 einen geeigneten Antriebsmechanismus 6 hat und durch die Wand des Ofens in eine Zahnstange 7 eingreift, die auf der Unterseite eines Werkteilträgers 8 angebracht ist. Der Werkteilträger ist vorzugsweise aus einem Isoliermaterial gebildet und wird auflangen Graphitbiöcken 9 getragen, die auf Graphitkarten 9 gleiten und beide als Tragstützen dienen, und die die Wärmeübertragung auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus vermindern, wobei die Graphitblöcke und - karten in einer langen Führung 18 angeordnet sind.
Der Werkteilträger 8 ist gezeigt beim Tragen einer Reihe von langen Metallwerkteilen 10, im vorliegenden Fall Bohrmeißel oder Bohrerrohlinge, die in dem Ofen gehärtet werden sollen.
Es ist wünschenswert für die Arbeitsspitze 11 jedes Bohrmeißels, in dem Ofen gehärtet zu werden, um seine Funktion zu erfüllen, aber es ist wünschenswert für den unteren (wie gezeigt) Bereich 12 jedes Meißels, relativ weicher zu sein, so daß er von dem Spannfutter, in dem er benutzt werden soll, gut eingegriffen wird. Um dies zu erreichen, hat der Ofen der vorliegenden Erfindung eine regelmäßige Anordnung der Heizelemente mit drei langen gürtelartigen, gesinterten Widerstands-Heizelementen 13, die parallel zu der Längs-Mittellinie des Ofens und nah an den in Gebrauch befindlichen Spitzen 10 anliegend angeordnet sind. Jedes der Widerstandselemente 13 ist an einem Ende von der Stromdurchführung 14 und am anderen Ende von einem geerdeten Träger getragen, wobei die Heizelemente zu der Spitze der Bohrspitzen 10 hin angeordnet sind, um die Wärmestrahlung direkt an die Spitzen 11 der Bohrspitzen 10 abzugeben. Um ein unerwünschtes Härten des unteren Bereichs 12 jedes Meißels zu verhindern, ist ein thermisches Isolier-Abschirmelement 15 auf jeder Seite der Reihe von Spitzen angebracht, wobei ein schmaler Spalt 16 zwischen ihnen für den Durchgang der Spitze gelassen ist. Ähnliche Hitzeabschirmelemente 17 und 17' sind um die Seiten und das Dach des Ofens herum angeordnet, um die Druckkesselwand vor direkter Wärme von den Heizelementen 13 abzuschirmen.
Ein zweites Beispiel eines Vakuumofens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Dieselben Bezugszahlen werden in den Figuren 3 und 4 für solche Merkmale verwendet, die den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Merkmalen entsprechen.
Das Gehäuse 1 hat einen Wassermantel 20, der es umgibt (nur Figur 3). Wie im ersten Beispiel hat der Ofen Seiten- 17 und Dachwärmeabschirmelemente 17' und einen Werkteilträger 8 aus Isoliermaterial, der auf Graphitblöcken 9 getragen ist, die auf Führungen 18 gleiten. In dem zweiten Beispiel sind sechs Heizelemente 13 gleichmäßig über die Breite des Ofens verteilt, so daß bis zu fünf Reihen von Werkteilen 10, wie gezeigt, untergebracht werden können. Die Stromdurchführung 14 zu den Elementen 13 kommt in diesem Beispiel vom einen Ende des Ofens.
Es wird sehr geschätzt werden, daß durch diese Technik intensive Wärme den Bereichen der Werkteile zugeführt werden kann, die gehärtet werden müssen, und zwar in einer wirksamen und ökonomischen Weise, die von Vakuumöfen des früheren Stands der Technik, in denen die Heizelemente um die Wände des Ofens herum angeordnet sind, unbekannt sind. Das in den zeichnungen schematisch gezeigte Beispiel ist überwiegend illustrativ für die Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert. Wärmeisolierbereiche, die um mehrere Schichten von Werkteilen, die gehärtet oder auf andere Weise wärmebehandelt werden sollen, herum angeordnet sind, können angebracht werden.
Da die Strahlungswirksamkeit inhärent hoch ist, ist der Gesamtenergieverbrauch vermindert. Insbesondere die Verwendung von Niedrigspannung-Hochstromleistung, die den Enden der Heizelemente zugeführt wird, die zentral geerdet sind, vermeidet die Notwendigkeit, Keramikisolatoren zu verwenden. Dies reduziert die Kosten und maximiert die Leistung der Heizelemente, da eine Zersetzung des ungeschützten Keramiks nicht mehr länger ein zu berücksichtigender Faktor ist.
Zusätzlich kann mit mehreren Heizelementen gemäß der vorliegenden Erfindung die Energiezufuhr zu den Heizelementen individuell gesteuert und den besonderen Verfahrenserfordernissen angepaßt werden, um ein ausgewogenes Erhitzen des Wärmebereichs innerhalb des Ofens zu erhalten, um die Gleichmäßigkeit zu maximieren.

Claims

1. Elektrisch geheizter Vakuumofen zur Wärmebehandlung von Metallteilen mit:

einem Druckkesselgehäuse (1), wobei das Gehäuse eine Längsausdehnung hat;

Halteeinrichtungen (8) zur Positionierung der mit Wärme zu behandelnden Metallteile (10) in einer zu der Längsausdehnung des Gehäuses parallelen Anordnung; und eine Vielzahl von Heizelementen (13) in dem Gehäuse, wobei die Heizelemente (13) räumlich auseinander in einer ersten Richtung, die im Lot zur Längsausdehnung des Gehäuses ist, und paralleliegend zu der Längsausdehnung angeordnet sind, wobei sich die Heizelemente in einer zweiten Richtung, die im Lot zur Längsausdehnung und zu der ersten Richtung ist, erstrecken, um parallel zu der Längsausdehnung liegende Seiten zu haben, wobei die Heizelemente (13) mit den Teilen, die durch die Halteeinrichtungen (8) positioniert sind, verschachtelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen die mit Wärme zu behandelnden Metallteile (10) in dem Gehäuse (1) in zumindest einem Paar Reihen positionieren, daß die Heizelemente (13) gürtelartige, lange Widerstandselemente aufweisen, die sich längs des Gehäuses erstrecken, und daß zumindest eines der Heizelemente (13) Strahlungshitze an die in Reihen auf beiden Seiten des Heizlementes angeordneten Teile (10) abgibt, um diese Teile (10) wärmezubehandeln.

2. Ofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zufuhrmechanismus einen Werkteilträger (8) hat, der entlang der Länge des Ofens beweglich ist, um Werkteile zu dem Ofen hin und von ihm weg zu befördern.

3. Ofen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhrmechanismus einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus (5,6,7) beinhaltet.

4. Ofen gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhrmechanismus eine Vielzahl von Graphit-Trageblöcken (9, 9') beinhaltet, auf denen der Träger (8) angebracht ist, um zu gleiten, und die die Wärmeübertragung von dem im Gebrauch befindlichen Ofen vermindern.

5. Ofen gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Abschirmbereichen (15) innerhalb des Ofens in abschirmendem Verhältnis zu ausgewählten Teilstücken von Teilen (10), die in dem Ofen behandelt werden sollen, verstellbar angeordnet ist, wobei unterschiedliches Erhitzen von Bereichen der Teile (10) erreicht werden kann.

6. Ofen gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Abschirmbereichen (15) innerhalb des Ofens in abschirmendem Verhältnis zu aus mehreren Komponentenschichten ausgewählten Schichten, verstellbar angeordnet ist, wobei die Teile in verschiedenen Schichten in dem Ofen noch einheitlich erhitzt und gekühlt werden können.