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Vorrichtung zum induktiven Oberflächenhärten Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken
mittels eines Folzusinduktors und bezweckt eine weitere Vervollkommnung der Vorrichtungen
dieser Art. , Die Erfindung besteht darin., daß eine an sich bekannte thermoelektrische
Relaissteuerung vorgesehen ist, die den Induktor beim Erreichen einer im voraus
festgesetzten Temperatur des Werkstückes von einer Stromquelle einer Frequenz auf
eine Stromquelle einer anderen Frequenz umschaltet. Nach einer weiteren Einzelheit
der Erfindung ist im Hauptstromkreis ein Schalter vorgesehen, der bei der gewünschten
Endtemperätur des Werkstückes durch die Relaissteuerung geöffnet wird. Es war bekannt,
zum Erhitzen von ferromagnetischen Werkstoffen durch Wechselfelderverschiedene Frequenzen
zu verwenden, und zwar zuerst niedrige Frequenzen bis zum Erreichen derjenigen,
Temperatur, bei welcher der Werkstoff unmagnetisch wird, und dann höhere Frequenzen,
um den Erhitzungsvorgang bis zur Endtemperatur zu beschleunigen. Es war auch bekannt,
beim Oberflächenhärten von Werkstücken Ströme verschiedener Stärke anzuwenden, jedoch
zum Zwecke, das Werkstück an verschiedenen Stellen verschieden zu behandeln, d.
h. Härtezonen verschiedener Tiefen, Grade oder Ausdehnungen zu erzielen.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Umschalten von einer Frequenz auf eine
andere bei der Behandlung des gleichen Werkstückes an der
gleichen
Stelle. Durch diese Frequenzänderung während des Erhitzungsvorganges ist ein schnelles
Erhitzen bis zu verhältnismäßig erheblichen Tiefen möglich. So kann beispielsw-eise
zuerst mit einer holten Frequenz eine dünne Oberflächenschicht bis zur Abschrecktemperaturerhitzt
werden, darin die Frequenz auf eine niedrigere umgeschaltet werden, wobei gleichzeitig
mit einer erhöhten Stromstärke die nächste tieferliegende Schicht fast bis zur Härtetemperatur
oder etwas darunter erhitzt wird. Dabei wird die zuerst erhitzte Oberflächenschicht
auf der erforderlichen Abschrecktemperatur gehalten, wozu ein Teil des Stromes niedrigerer
Frequenz dient, welcher in dieser oberen Schicht fließt. Durch Regelurig der Zeiten
und der Stromstärken mit den verschiedenen Frequenzen und ihre Anpassung an die
jew-e-ils erforderliche Temperatur und an die Wärmeübertragung innerhalb des Werkstoffes
selbst kann ein schnelles und richtiges Verteilen der erzeugten Hitze in den verschiedenen
Schichten des Werkstückes erzielt «-erden. Damit kann aber auch ein solches Oberflächenhärten
durchgeführt werden, dali der Übergang zwischen der härtesten Oberflächenschicht
und dem weich zu erhaltenden Kern nicht plötzlich, sondern allmählich erfolgt. Hierdurch
wird zuverlässig vermieden, daß sieh die harte Oberflächeri.schicht von dem weicheren
Kern trennt, oder das innerhalb des Werkstückes Risse entstellen, die ebenfalls
zur Zerstörung des Werkstückes führen könnten. Die Erfindung ist infolgedessen besonders
vorteilhaft für solche Werkstücke, die eine verhältnismäßig dünn-, aber äußerst
harte Oberflächenschicht erfordern, während der Kern weich und zäh bleiben soll.
Als Beispiel "eines solchen Werkstücken kann die Kurbelwelle eines hoch beanspruchten
Brennkraftmotors genannt werden, insbesondere eines Flugzeugmotors, deren Oberflächenschicht
mit Rücksicht auf die Lagerbemessung sehr hoch gehärtet sein muß, während der Kern
mit Rücksicht auf die Drehmomentübertraguaig zäh bleiben muß.
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Die Erfindung hat ferner den Vorteil, daß die Behandlung jeder beliebigen
Forderung I genau angepaßt werden kann, ohne daß das Werkstück seine Lage zu verändern
braucht, i d. h. in dem gleichen Gerät. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft
bei der Massenf,rtigung, da sie unabhängig von der Geschicklichkeit der Bedienung
ist, nachdem sie einmal für die erforderlichen Behandlungsbe-dingungen richtig eingestellt
worden ist.
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Die Wahl der beiden nacheinander benutzten Frequenzen, die zeitliche
Reihenfolge in Abhängigkeit von den erzieltenTemperaturen und die entsprechende
Abstimmung der Behandlungszeiten aufeinander geben dem Fachmann alle Mittel in die
Hand. um allen in der Praxis auftretenden Anforderungen an die Wärmebehandlung von
Werkstücken, insbesondere an die verschiedenen Härteforderungen, gerecht zu «-erden.
Dabei ist die Vorrichtung einfach und doch zuverlässig und sehr wandlungsfähig.
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Die Erfindung hat auch noch den Vorteil, daß auch die Eindringtiefe
der Härtung durch richtige Wahl der verschiedenen Frequenzen beliebig beeinflußt
werden kann. Soll die Eindringtiefe groß sein, so wählt man eine niedrige Frequenz,
während bei eurer geringen Eindringtiefe eine hohe Frequenz gestellt wird. Auch
der Übergang von der hoch gehärteten Schicht zu dein weicheren Kern kann beliebig
abgestuft werden, wobei die Behandlung stets innerhalb des gleichen Heizgerätes
erfolgen kann.
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Die Zeichnung veranschaulicht in Seiteriansieht und zum Teil schematisch
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Kurbel- oder Lagerzapfen
einer Kurbelw=elle.
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Der Induktor besteht aus zwei halbkreisförmigen Teilen 15 und 16,
die durch ein Gelenk 17 zusammengelenkt sind und ein Werkstuck 18, beispielsweise
den Lager- oder Kurbelzapfen einer Welle, umfassen, wobei zwischen Induktor und
dem Zapfen ein gewisser Luftspalt bestehen bleibt, dessen Größe durch eine Schraube
ig bestimmt wird, die in den Induktorteil 16 eingeschraubt ist und sich mit einem
aus Isolierstoff bestehenden Druckstück 2o gegen den zweiten Induktorteil 15 abstützt.
Die Schraube ig wird durch eine Gegenmutter 26 in ihrer Lage gesichert.
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Der Induktor 15, 16 wird über Leitungen 21 und 22 von einer Stromquelle
gespeist, die eine niedrige Spannung und eine hohe Frequenz besitzt. Damit der Strom
lediglich an der Innenfläche 23 des Induktors 15, 16 fließt, werden die Außenwandungen
24 des Induktors aus Isolierstoff hergestellt. Der in der Innenwand 23 des Induktors
fließende Strom erzeugt in dem Werkstück 18 lebhafte Wirbelströme, die bei einem
Werkstück aus einem magnetischen Stoff durch die Hysteresiswirkung verstärkt werden
und das Werkstück erhitzen.-Der Stromverbrauch und der Erhitzungsvorgang können
durch Regelung der Stromzufuhr und durch Einstellung des Luftspaltes zwischen Werkstück
und Induktor mittels der Schraube ig geregelt werden.
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Die Induktorteile 15, 16 besitzen zwischen den Innenwandungen 23 und
den Außenw-andungen 24 Hohlräume, die zum Durchführen des Kühlmittels zum Abschrecken
dienen und hierzu mit Spritzöffnungen 33 versehern sind, die das Kühlmittel gegen
die
zu behandelnde Werk stückoberfläche spritzen. Das Kühlmittel
wird zugeführt durch eine Leitung 27 über ein Ventil 30 und biegsame Leitungen
28 und 29. Das Ventil 30 wird betätigt durch einen Hebel 31 und eine Stange
32, die mit dem Induktorteil 16 verbunden ist, derart, daß das Ventil geöffnet wird,
wenn der Induktorteil 16 von dem Werkstück 18 auswärts weggeschwenkt wird.
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Das Erhitzen wird unterbrochen durch Unterbrechung des Stromkreises
in den Leitungen 21 und 22, die an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen
sind, indem der Strom des Primärkreises des Transformators fast gleichzeitig mit
dem Zuführen des Kühlmittels unterbrachen wird. Die Stromkreisunterbrechung kann
auch unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Zeitpunkt der Zuführung des Kühlmittels
durchgeführt werden.
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Die Stromunterbrechung erfolgt durch .einen Schalter 3d.,-der die
Leitung 35 mit der Leitung 36 der Primärwicklung verbindet. Dieser Schalter wird
durch eine Schraube 37 bei der Bewegung des Induktorteils 15 geöffnet, die in den
Induktorteil 15 eingeschraubt ist und deren Lage durch eine Gegenmutter 38 gesichert
wird. Zwischen der Schraube 37 und dem Schalter 34 ist ein Isolierstück 39 eingelegt.
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Es kann bei manchen Werkstücken erforderlich sein, während des Erhitzungsvorganges
die Frequenz des Erhitzungsstromes zu verändern,- wobei ein. niederfrequenter Strom
benutzt wird, wenn die Erhitzung in das Werkstück tief eindringen soll, während
ein hochfrequenter Strom zur Erhitzung mit geringer Eindringtiefe dient. Diese Frequenzänderung
wird selbsttätig durch die Temperatur der zu erhitzenden Fläche gesteuert. Zu diesem
Zwecke besitzt der Induktor eine thermoelektrische Vorrichtung 154, die auf die
Temperatur der Werkstückoberfläche anspricht. Diese Vorrichtung kann aus einem Thermoelement
oder aus einer photoelektrischen Zelle bestehen, wobei letztere durch die Lichtstrahlung
der erhitzten Oberfläche bei einer gewissen Temperatur gesteuert wird.
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Bei dem veranschaulichten Beispiel ist die thermoeiektrische Vorrichtung
15d. mit einem Elektromagneten oder Soleno-id 155 verbunden, der einen Kontakthebel
I56 steuert. Sind die Schalterteile 34 und 36 geschlossen und hat die Temperatur
der Oberfläche des Werkstückes 18 die erforderliche Höhe erreicht, so entsteht auch
in der thermoelektrischen Vorrichtung 154 eine entsprechende Potentialdifferenz,
so. daß ein entsprechender Strom den Elektromagneten 155 durchfließt, wodurch der
Kontakthebel 156 einen Relaisstromkreis über die Elektromagnete 157 und 157' schließt.
Der Elektromagnet 157 betätigt einen Schal-' ter 158, welcher wiederum den Primärstromkreis
des Transformators 159' an die hoch-' frequente Stromquelle 159 anschließt, wobei
dieser Primärstromkreis ursprünglich über den Schalter 34 geschlossen war.
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Gleichzeitig schließt der Schalter 158 den Primärstromkreis eines
Transformators 16o', der an eine niederfrequente Stromquelle 16o angeschlossen ist.
Der Elektromagnet 157'
betätigt dabei zugleich einen Schalter, der den Sekundärkreis
des Transformators 159' unterbricht, welcher ursprünglich mit dem Induktor verbunden
war, und schließt einen Sekundärstromkreis des niederfrequenten Transformators 16o'.
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Die, Rückleitungen des Hoch- und Niederfrequenzstromkreises sind an
die Leitung 35 angeschlossen. Ein Elektromagnet oder eine Relaisvorrichtung 161,
die bei einer höheren Temperatur anspricht als der Elektromagnet 155, dient zum
Öffnen eines Schalters 162 in dem Hauptstromkreis bei irgendeiner im voraus festgesetzten
Temperatur der Ober-' fläche des Werkstückes 18. Auf diese Weise kann der Primärstromkreis
unter dem Einfluß der Temperatur früher geöffnet werden, als der Schalter 34 mechanisch
geöffnet wird.