DE734298C - Vorrichtung zum elektro-induktiven Erhitzen von metallischen, spanabhebend zu bearbeitenden Werkstuecken - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen, spanabhebend zu bearbeitenden Werkstücken Es ist bekannt, daß beim spanabliebenden Bearbeiten- von metallischen Werkstücken die Cberwindung des Formänderungswiderstandes des Werkstoffes eine nicht unerhebliche Rolle spielt. Es lag daher nahe, Werkstoffe, die sich infolge ihrer plivsil;alischen Eigenschaften schwer durch spanabhebende Werkzeuge bearbeiten lassen, während des Zerspanungsvorganges auf erhöhte Temperaturen zu bringen und dadurch den Formänderungswiderstand der Werkstoffe, der bei erhöhter Temperatur abnimmt, zu verringern. Es ist daher schon seit langem bekannt, schwer bearbeitbare Werkstoffe, wie beispielsweise Hartmanganstahl, bei erhöhter Temperatur spanabhebend zu bearbeiten, uni diesen Vorgang zu erleichtern bzw. zu ermöglichen Auch hochsiliciumhaltiges Gußeisen h; t bereits in erwärmtem Zustand spana;bliebend bearbeitet worden, um ein Ausreißen und Ausbrechen der Silicium- und Graphitnester zu verhindern und auf diese Weise eine glatte Oberfläche zu erzielen. _ Abgesehen von bckannten Vorschlägen, das Erhitzen des Werkstückes mittels Gasflammen durchzuführen, ist auch schon vorgeschlagen worden, sich eines elektroinduktiven Erhitzens zu hedienen nach der Art, wie es bekannt ist, um beispielsweise Werkstücke für die spanlos -Formgebung auf die erforderliche Verforinungstempera:tur zu bringen. Der bekannte Vorschlag, das Werkstück zum Zwccke der spanabhebenden Bearbeitung elektroinduktiv zu erhitzen, sieht eine auf einem Joch sitzende Spule vor, deren Induktionswirkung eine durchgehende Erwärmung des gesamten Werkstückes hervorruft. Es werden mithin auch Tzmile des Werkstückes von der Erwärmung erfaßt, die gar nicht bearbeitet «-erden sollen und somit Energie nutzlos aufgewendet. -Nachteilig ist darüber hinaus, daß das Bedienungspersonal insbesondere bei größeren Stücken stark von strahlender Hitze belästigt wird, ganz abgesehen davon, daß eine Erwärinung eines Körpers über seinen gesamten Querschnitt stets in mehr oder minder großem

  Male die Gefahr des Verzuges finit sich

  bringt.

  Geniiih der Erfindung werden diese Nach-

  t(-ile be1;arinter Verfahren rerinieden durch

  (lio Anwendung örtlichen induktiven .hr-

  hitzelis, wobei die erforderlichen Spulen tiPt-

  weder unmittelbar oder unter Zwischenschä`=,

  tun- eitles Transfcrniators an die Stromquelle

  inigesclilosseii werden. Das elektro-induktive

  Erhitzen gestattet in allerl;iirzcster Zeit

  elIleI@ Z'orbestllIiIIiteil Abschnitt des «@erk-

  ,tüekes und daher unmittelbar die Bearbel-

  tilli-ss'tclle auf die -wünschte Temperatur zu

  erhitzen, ahne claf eine Schädigung des Werk-

  zeu-es eintritt. Jede Tiefenwirkung der Er-

  hitzung ist möglich, ohne dafa eine wesellt-

  lIche Erhitzung benachbarter Werksttlektelle

  durch ZVärnieleitiui,5 erfolgt. Die hohe Ge-

  schwindigkeit, finit der die Erhitzung auf

  induktiven1 Wege erfolgt, stellt sicher, dal3

  auch -egtIi U1ldation bei erllöllteil TelIlpe-

  raturen empfindliche Werkstoffe behandelt

  werden könlicn, ohne da11 Verzunderung

  o. (l-1. in nennenswertem -'lalle auftritt. Zu

  dieseln jwcl; «-1r(1 die Spule svmnietrisch

  zum Werkzeug, -jgebeiieiifalls das Werkstück

  uinfasseilcl, nur 1T2 unmittelbarer Nähe der

  Eearbeitungsstelle angeordnet. Bei sperrigen

  @``crl;stiicl;forincn wird die Spule aufklapp-

  bar gestaltet. Sie kann aus zwei oder niehre-

  ieil in Reihe oder parallel -,geschalteten Win-

  dtingen bestehen, die zwischen sich einen

  Zwischenraum für den Durchtritt des Werk-

  zeuges atiftreiseii. In der Nähe des Werl;-

  z@u-@s weiuil (lie Spulen zweckmäßig -erin-

  -ere Höhe auf als all den dein Werkzeug ab-

  gekelirten Seiten, damit eine Erwärniun- des

  l,4

  # crl;zeu-es leicht eintritt. Ferner können nin

  (las Werkzeug lieruin Ausgleichsspulen an-e-

  (rcinet werden, die infolge einer dein Heiz-

  stroin ent-egcng.richteten Speisung das Er-

  -.: iirnieti des @@ erhzeu-es verhindern.

  Die erforderliche tWech selstrcn 1quelle kann

  entweder b;21 normaler Frequenz (5o Per./Sek.)

  ()der bei höheren Frequenzen zoll etwa rr@= bis

  i (i'' Per.j'Sek. butriebLn werden. Als Geilem-

  ,()r kanil elitiveder eifit Motorgenerator, ein

  köhrtrlgenertur, Funhenstrecl;elgeneratar

  oder eine sonstige geeig@icte Einrichtung Ver-

  Svendun- finden. In vielen Fällen wird es.

  illöglich sein<, c1,_11 Motor der W(:rkzem--

  n@a schine @leicll;.; iti- zur Erzeugung des er-

  forderlichun @@`cchs_lstroines gewünschter

  1're'quEliz ausz;mutzun, wenn belsplels\veisc'

  t iil @1()t(a @@-

  @E'1leralt(?1' (DC1er elft I'11111;eT2sll"C'Cl;eTi-

  geiltrator er@`:cil(Itlll- findet, wobei dieser

  dann unmittelbar InIt dein Werkzelh-

  nlaschilieninotcr gekuppelt wird.

  Da: induktive Erhitzen des Werkstückes

  nur all (lull Stellen, ;in denen das spall-

  al3hc13e11(Ie 1(arb_'1ten c'rf(-l-ell soll, und zwar

  zeitlich inld,örtlich auf die Stelle des Werk-

  konzentriert, läl-1t sich bei jeder

  #NpailabhebeiidC-11 Bearbeitung anwendeIl, 5U

  z. B. für das Sägen, Drehen, Hobeln, hräseli

  t: @ fl-I.

  k14111 nachfolgenden wird all Hand einiger in

  "&n Abbildungen dargestellter Ausfiihrungs-

  beispiele ihr Spulenausbildungcn, die ver-

  schiedenen tbearbeitungsforinen angeljai.lt #ind,

  der %riiilduli-sgedanl;e näher erliitltert. I n

  Teil schematischen Abbildungen sind der

  besseren Cberslcht halber AtifspaIlIIS"orriell-

  tt1ngun für dass "erkstuck u. dgl. wie über-

  haupt die Werkzeugmaschine aii sich fort-

  belassen.

  I.11 Abb. t ist schematisch eine % orrichtung

  dargestellt, die geeignet ist zui Erhitzulig

  einer Schnittstelle, an der eine '-iige 3 an-

  greifen soll. Das Werkstück 2 ist als kun(1-

  l.örper dargestellt, und zwar tcil\S-eise 1111

  Schnitt. .'eben der ,chnittstelle8 sind zwei

  parallel geschaltete Induktionsspulen g und io

  sorgcschen. Diese Spulen k<-nnen i:iig; teilt

  seilt, we11n sie sich 111 einfacher Weise auf da>

  Werkstück aufschieben lassen. Sie können

  auch geteilt ausgebildet werdeil, wenn sich

  einem Aufschieben infolge der @1'erl;stück-

  forIIl I1'-ell(1SS"e1Gh@ Hindernisse 1I1 den `\'eg

  steilen. Die parallel geschalteten Spulen siii(t

  eilt#,secler unmittelbar öder unter Zwisch(li-

  sChaltung eines Transformators all die'

  @@'ecliselstrolilquelle angeschlossen. Bei Ein-

  schaltung des Stromes wird infolge der sich

  Überschneidenden heldl;onzentration der bei-

  den Spulen all der eigentlichen Schnittstelle d

  z 'ich

  um st eine oberflächliche Erwärmung her-

  vor-eruft.:n, (lie durch die sdiwarz an-elegteji

  Flä-.hen angccleutet ist. Das zwischen (len

  hei-den Spulen -hindurchgeführte Siigeblittt 3

  kalin unmittelbar nach Einschaltung (les

  Stromes in Tätigkeit gesetzt werden, da die

  Erhitzung momentan vor :ich gellt. hie 1-1--

  hitzllri- pflanzt sich allmählich bis in den

  Bern des @Ve-rkstückes fort, wie durch (11e -t

  strichelten Liiiieit an de-r Erhitztnigsstelle i;

  aiiged :garet ist. Durch Wahl der F rc(ltteiiz und

  (fier i@oppluiig gelingt es oline @seitcrcs, (las

  Vordringen cler .l-#rwärinuii" zum Kern liin so

  einzustellen, dala die Säge bei for@se@re@tcii-

  ecr Arbeit stets eine auf die-etsünclltc: Tein-

  peratur -(-brachte Weri;steftscliiclit @-or(@I1(let_

  Mine Einwirkun`, der @@-ir13elstri)nie auf (las

  `@@crl;zcu- und damit eine hrwä rinmig (les

  @@-erkzüt@ tritt n1(-11; e711, und zwar deshalb,

  well sielt die Sage S"CIl den Schillttfiachell frel-

  arl3eitet und infolgedess(n zwischen @@-cl-k-

  stück und Sägeblatt ein Luftspalt entstellt,

  dessen Widerstand lilllrcicliclid gI'(@l.i ist, lull

  ;u i-ei-liin(Irrn, da:3 die iin Werkstück eilt-

  stePlen(len WirbePstriime auch im 1Werl:z:ug

  ,tlbst flie icI1. Die: hr@S"@ii"lnllür(L s Werk-

  zeugen durch Einwirkung der dem Werkzeug unmittelbar benachbarten Spulen selbst ist außerordentlich gering, da die im Werkzeug entstehenden magnetischen Felder sich gegenaeitig aufheben. Sollte trotzdem die Gefahr auftreten, daß die unmittelbare Einwirkun" der Spulen unzulässige Erwärmungen hervorruft, so kann diese durch geeignete Ausbildung der Spule selbst verhindert werden.
• Eine derartige Anordnung ist in Abb,. 2 dargestellt, wobei es sich wiederum darum handelt, ein Werksdick 2 mittels einer Säge 3 in einzelne Teile zu zersägen. Während die parallel geschalteten Spulen-,vindungen 9 und io der Abb. i aus rundem, wassergekühltem Kupferrohr hergestellt sind, zeigen die parallel geschalteten Spulen i i und 12 der Abb. 2 etwa Dreieckform. Sie sind ebenfalls hohl und werden wassergekühlt. Die Dreieekform hat zur Folge, daß die Konzentration der Kraftlinien so geleitet wird, daß sie in der Nähe des Sägeblattes außerordentlich g # ring ist. An Stelle des dreieckigen oder e keilförmigen Ouerschnittes kann natürlich auch eine andere Ausbildung der Spulenform vorgesehen werden, wobei ,es im wesentlichen darauf ankommt, daß die Spulenhöhe in unmittelbarer Nähe des Sägeblattes gering ist, während sie an den dem Sägeblatt abgekehrten Stellen mit Rücksicht auf die erforderliche Stromkonzentration innerhalb des Werkstückes größer sein kann.
• Bei dieser Art der Erhitzung ist die Form des Werkstückes gleichgültig. In Abh. i und 2 sind Rundkörper als Werkstücke beispielsweise gewählt: es können selbstverständlich auch eckige Körper in dieser Weise erhitzt und bearbeitet werden. Die Einrichtung ist sowohl geeignet für Fälle, in denen das Werkstück ruht als auch für solche, in denen das Werkstück umläuft. Beim Sägen wird man im allgemeinen das Werkstück ruhen lassen, dagegen wird man, wenn es sieh um Drehen, Fräsen o. dgl. handelt, das Werkstück umlaufen lassen. Da bei einem Dreh- oder Fräsvorgang, bei welchem das Werkstück umläuft, im allgemeinen eine Erhitzung bis in den Kern hinein nicht erforderlich ist; sondern lediglich eine Erhitzung der Oberfläche bis zu einer Tiefe, die wenig mehr beträgt als die Spantiefe, wird es in diesen Fällen zweckmäßig sein, eine Aufheizung des Werkstücke auch an den Stellen zu vermeiden, die denn zu bearbeitenden Werkzeug abgekehrt sind. Dies kann dadurch erreicht werden, da,ß der Spulenduerschnitt an dieser Stelle verhältnismäßig groß gewählt wird, wie in Abb, 2 bei 13 gestrichelt angedeutet ist. Die Qnerschnittsvergrößerung hat zur Folge, daß sich an dieser Stelle eine verhältnismäßig geringe Strom-Konzentration ausbildet und so eine Erwärmunb vermieden wird. Eine Beeinflussung der Erhitzung des Werkstückes in der @Z'cise, cläß nur an der Stelle eine Erwärmung eintritt, au der im Augenblick tatsächlich das @`. Lrkzeug angreift, kann auch erreicht «-,7#rden durch geeignete Einstellung der Kopplung. Die Kopplung wird an der zu erhitzenden Stelle eng gewählt, d. h. der Abstand zwischen Spule und Werkstück wird gering gestaltet.
• In den Abb. i und 2 umfassen die Spulen das @@'erlcstück. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Spule so auszubilden, daß sie sich in einer Ebene schließt und somit über dein Werkstück bzw. über der Stelle liegt, die für eine Bearbeitung erhitzt werden soll. Eine solche Spule i-1. ist in Abb. 3 dargestellt. Sie liegt, wie ersichtlich, über dein M erkstück -2, während das Werkzeug 3, in diesem Fall als Sägeblatt dargestellt, durch die Windung hindurch an dem Werkstück angreift. Die Erfahrung hat gelehrt, daß die bei dieser Spulenanordnung im Werkzeug erzeugten U'irbelströme derart gering sind, daß eine nennenswerte Erwärmung nicht eintritt.
• Die Wirbelströme im Werkstück verlaufen nach Abb. 3 in senkrechter Ebene zur Schnittrichtung des Werkzeuges. In der Anordnuag nach Abb. .f ist ebenfalls eine in einer Eben; geschlossene Spule 15 dargestellt. Auch hier verlaufen die Wirbelströme im Werkstück senkrecht zur Schnittrichtung des Werkzeuges. Grundsätzlich scann die Anordnung auch so getroffen werden, daß die Wirbeiströme in paralleler Ebene zur Schnittrichtung verlaufen. Das `Vcrl:zeug kann entweder unmittelbar hinter der Spule angreifen oder aber e` kann durch die Mittelöffnung der Spule hindurchgeführt werden. Die Anordnung hach Abb. .4 kann in vorteilhafter Weise verwendet werden, wenn die spanabhebende Bearbeitung unter Verwendung eines Drehmeißels o. dgl. erfolgen soll.
• In Abh. d. ist ein Beispiel gewählt, bei-wcldiem die dort gezeichnete Spule 15 in Verbindung mit der Bearbeitung eines Rundkörpers verwendet wird. Eine derartige Spulenausbildung kann aber auch Ver-,vendung finden zur Bearbeitung von Körpern mit planer Oberfläche, beispielsweise für das Hobeln oder Schrubben. Spule und Werkzeug werden dann so zueinander angeordnet, daß die Heizspule in Längsrichtung, d. h. in Schnittrichtung vor dem Werkzeug liegt. Hier wie auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen können selbstver ständlich Heizspule undWerkzeug auf demselben Supportangebracht werden, so daß die beiden zusammenwirkenden Teile in gleichmäßiger Relativbewegung an dem Werkstück vorbeigeführt werden. Das örtliche induktive Erhitzen zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitung kann in besonders vorteilhafter Weise Anwendung finden beim Bohren schwer bearbeit= barer Werkstoffe. Es sei beispielsweise die Aufgab- gestellt, eine Platte :2 mittels eines Bohrers 3 zu durchbohren (Abb. 5). Um eine Erhitzung der Bohrstelle zu gewährleisten, wird eine Induktionsspule 16 vorgesehen, die aus einem oder mehreren wassergekühlten Kupferrohren besteht. Zur Erhöhung der Stromkonzentration an der gewünschten Stelle ist an der Spule ein Vollkupferansatz 17 vorgesehen, der mit "seinen Spitzen auf das Werkstück gerichtet ist. Bei Einschalturig des Stromes entsteht unmittelbar an der Oberfläche eine Erhitzungszone, die bei 1,9 durch eire dunkel angelegte Fläche angedeutet ist. Mit fortschreitender Zeit dringt diese Erhitzungszone langsam bis in den Kern vor und durch einfache Einstellung der Frequenz und der Kopplung der Spule 16117 zum Werkstück wird erreicht, daß diese Erhitzungszone etwa den gleichen Durchmesser aufweist wie das zu erzeugende Bohrloch. Um ein geregeltes Fortschreiten der Erwärmung sicherzustellen, kann an der Unterseite des zu durchbohrenden Werkstückes eine zweite Spule ig vorgesehen werden, die ebenfalls aus gekühltem Kupferrohr bestehen kann.
• Bei einer derartigen Anordnung besteht die. Gefahr, daß auch das Werkzeug durch die Einwirkung der Wirbelströme erhitzt wird. Um eine Erwärmung des Werkzeuges auszuschalten, wird um das Werkzeug selbst herum eine Hilfsspule 2o angeordnet, die auch aus wassergekühltem Kupferrohr bestehen kann. Dieser Spule wird ebenfalls Wechselstrom zugeführt, der jedoch in jedem Augenblick in einer Richtung fließt, die der Richtung des Stromes in der Spule 16 entgegengesetzt ist: Durch diese Maßnahme lieben sich die in dem Werkzeug hervorgerufenen magnetischen Felder gegeneinander auf, das Werkzeug bleibt von der Wirkung irgendwelcher Wirbelströme unbeeinflußt und daher kalt.
• Die Anordnung einer die Wirbelströme im Werkzeug aufhebenden Spule ist in Abb. 5 in Verbindung mit einem Bohrer dargestellt. Diese Anordnung kann selbstverständlich auch in Verbindung mit andersgearteteri Werkzeugen benutzt werden, insonderheit beispielsweise mit einem Meißel o. dgl., wenn die Gefahr besteht, daß in dem Werkzeug Wirbelströme entstehen, die eine Erwärmung hervorrufen könnten.
• Für die in unmittelbarer Nähe des spanabhebenden Werkzeuges vorgesehenen Spulen ist die Anwendung einer Isolation zweckmäßig. Die Isolation soll die Spule vornehmlich gegen Beschädigungen durch die heißen Späne, aber auch gegen mechanische Verlutzungen schützen, wie sie beim Einsetzen des 1Verkzeuges o. dgl. auftreten könnten. .-11s @Verkstoft für die Isolation kann jeder wärmebeständige, elektrisch nichtleitende Stoff verwendet «-erden, so z. B. keramische Stoffe, Kunstharzpreßstoffe oder andere bekannte elektrische Isolierstoffe.
• Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt, sie ist vielmehr in Verbindung finit jeder spanabhebenden Bearbeitung denkbar. Die Auswahl der Spulen wird _n Anpassung der jeweils obwaltenden Arbeitsbedingungen zu erfolgen haben, wobei Leistung, Frequenz usw. der zur Verfügung stehenden elektrischen Anlage berücksichtigt werden muß. Ferner ist bei der Auswahl der geeigneten Vorrichtung zu berücksichtigen, «-elche Erw-ärinungstiefe vorgesehen werden soll. Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung lassen sich hierbei in einfacher Weise den verschiedenstenBetriebsbedingungen anpassen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen, spanabhebend zu bearbeitenden Werkstücken, bei der das Erhitzen mittels einer unter Strom stehenden Spule erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule symmetrisch zum Werkzeug (3), gegebenenfalls das Werkstück umgreifend, nur in unmittelbarer Milie der Bearbeitungsstelle angeordnet ist. z. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenenfalls aufklappbar ausgebildete Spule aus zwei oder mehreren, in Reihe oder parallel geschalteten Windungen (9, io) finit einem Zwischenraum für den Durchtritt des Werkzeuges (3) besteht. 3. Vorrichtung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen in der Nähe des Werkzeuges eine geringere Höhe aufweisen als an den dein Werkzeug abgekehrten Seiten (Abb. ;2, 111i2). .i. Vorrichtung nach Anspruch i bis 3, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Ausgleichsspulen (20), die um das Werkzeug herum angeordnet sind und mit einem Strom gespeist werden. der in jedem Augenblick dem Heizstrom entgegengesetzt gerichtet ist, um ein induktives Aufheizen des Werkzeuges zu verhindern.