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Vorrichtung zum fortschreitenden induktiven Oberflächenerhitzen Zusatz
zum Patent 7672271
Gegenstand des Patents 767 22,7 sind ein: Verfahren: und
eine Vorrichtung zum fortschreitenden induktiven Oberflächenerhitzen vom: metallischen
Gegenständen und anschließendem Abschrecken, wobei unter Verwendung ein- oder mehrwindiger
Spulen und Spritzvorrichtungen die gewünschte Temperaturverteilung in den Oberflächenschichten
des zu behandelnden Werkstückes durch; ge eignete Kühlung während des Aufheizens
geregelt wird. Demgemäß werden, bei den Maßnahmen nach Patent 767:2:27 unabhängig
davon, o#b das Werkstück insgesamt auf Temperatur gebracht werden soll oder ob eine
nur teilweise Temperaturerhöhung gewünscht wird, wobei gewisse Teile entweder überhaupt
nicht oder in nur geringem Maße erwärmt werden sollen, die elektrischen Bedingungen
während des fortschreitenden Aufheizvo:rganges konstant gehalten, während die Temperaturverteilung
im Werkstück selbst durch eine mehr oder weniger starke Kühlung geregelt wird. Diese
Maßnahmen haben u. a;. den Vorteil, daß stets optimale- elektrische Bedingungen
eingehalten werden können.
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Das Verfahren nach Patent 767 227 und die Vorrichtungen zu
seiner Ausübung haben sich gut bewährt, und zwar besonders, in den Fällen, in denen
es seich darum handelt, Werkstücke mit gleichbleibenden Querschnitten
zu
behandeln. Dabei gelingt es, die Kühlung den verschiedensten Anforderungen ohne
weiteres anzupassen. Der elektrische Wirkungsgrad ist günstig.
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Gemäß der Erfindung sollen in Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens
nach Patent 767.227 der an sich günstige Wirkungsgrad noch verbessert und
gewisse Schwierigkeiten beseitigt werden, die dann auftreten, wenn es sich darum
handelt, Werkstücke zu erhitzen und abzuschrecken, die mehr oder weniger sprunghaft
wechselnde Ouerschnittsformen aufweisen, d. h. also die beispielsweise mit Nocken,
Rippen, Anschlägen od. dgl. versehen sind, welche aus der sonst gleichförmigen Oberfläche
herausragen-Hierzu wird vorgeschlagen, den Abstand der nachgeordneten Spritz- oder
Abschreckv orrichtung von der Spule während des fortschreitenden Erhitzens regelbar
zu gestalten. Zweckmäßigerweise wird die Einregelung des jeweils gewünschten Abstandes
zwischen Spritzvorrichtung und Heizspule selbsttätig gestaltet, wobei die erforderliche
Relativbewegung der beiden Teile zueinander von der Bewegung des Werkstückes abgeleitet
werden kann. Die Mittel, diese Bewegungsabhängigkeit sicherzustellen, sind aus der
Technik des Werkzeugmaschinenbaues bekannt, und sie bestehen aus Kurvenscheiben,
Anschlägen, Nocken od. dgl. Gemäß der Erfir1-dang kann ferner die Spritzeinrichtung
in Anpassung an die im Werkstück gewünschte Temperaturverteilung in einzelne Abschnitte
unterteilt werden. Die einzelnen Abschnitte sind unabhängig voneinander steuerbar,
und zwar sowohl bezüglich ihrer Abstände von der Spule als auch bezüglich der Stärke
der Kühlwirkung, die sie ausüben können, d. h f also bezüglich der in der Zeiteinheit
ausgespritzt-en Kühlmittelmenge. In vielen Fällen wird es jedoch genügen, lediglich
eine veränderliche Einstellbarkeit der Abstände vorzusehen, während auf eine regelbare
Einstellbarkeit der ausgespritzten Kühlflüssigkeitsmenge verzichtet werden kann.
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Die Maßnahmen gemäß der Erfindung beruhen auf der Ausnutzung von Zuständen,
die durch die Induktionswirkung gegeben sind und die im nachfolgenden an Hand der
Abb. 1 erläutert «-erden sollen.
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Das Werkstück 1 soll durch eine Induktionsspule 3, die das 'Werkstück
umfaßt, erwärmt werden, wobei das Werkstück sich in Richtung des Pfeiles z durch
die Heizeinrichtung hindurchbewegt. Die in der in Abb. 1 geschnitten gezeichneten
Spule 3 fließenden Ströme 2o, deren Richtung durch Pfeilspitze und Pfeilenden gekennzeichnet
ist, erzeugen ein magnetisches Feld, das durch konzentrische Kreise 11 schematisch
angedeutet ist. Die Kraftlinien des magnetischen Feldes schließen sich im Werkstück
nicht nur unmittelbar unter dem Heizleiter, sondern je nach gewähltem Kopplungsgrad
auch in mehr oder weniger weit vom Heizleiter entfernt liegenden Teilen des Werkstückes.
Dementsprechend werden im Werkstück nicht nur unmittelbar unter dem Heizleiter Heizströme
zur Entstehung gebracht, sondern auch in den Werkstückteilen, die vom Heizleiter
weiter entfernt liegen, in denen sich aber auch magnetische Kraftlinien schließen.
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Nenn nun die Spritzeinrichtung 6, die dem Abkühlen bziv. Abschrecken
des Werkstückes anschließend an das Aufheizen dient, in einem Abstand 8 vom Heizleiter
angebracht wird, so wird zum Aufheizen des @t'erkstfckes annähernd das gesamte bestehende
magnetische Feld 11 ausgenutzt. Wird hingegen die Spritzv orrichtung in die Lage
6' gebracht, so würde zum Aufheizen des Werkstückes nur noch 4 derjenige Teil des
magnetischen Feldes ausgenutzt, der unmittelbar unter der Spule entsteht, während
die Wirkung des übrigen Teils des magnetischen Feldes durch das Kühlmittel vernichtet
würde. Bei gleichbleibenden elektrischen Bedingungen würde daher bei einer Anordnung
der Spritzvorrichtung an der Stelle 6 eine wesentlich stärkere Erwärmung erfolgen
als dann, wenn die --",bschreckvorrichtung bei 6' vorgesehen wäre.
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Wenn die elektrischen Bedingungen so eingestellt sind. daß bei einem
gewissen kontinuierlichen Vorschub des Werkstückes die gewünschte Härtetemperatur
im Punkt 12 unter Ausnutzung fast des gesamten magnetischen Feldes 11 erreicht wird.
so würde bei Verringerung des Abstandes der Spritzeinrichtung von der Spule 3, d.
h. also bei Anordnung der Spritzeinrichtung etwa bei 6' eine wesentlich geringere
Temperaturerhöhung im Augenblick des Abschreckens vorliegen, was je nach den gewählten
Bedingungen entweder zu einer geringeren Einhärtung oder auch zu einem völligen
@'Veichbleiben des Werkstückes führt. Letzteres wäre dann der Fall, wenn die Wirkung
der Spritzeinrichtung und die elektrische Einwirkung der Spule so aufeinander abgestimmt
sind, daß an dieser Stelle eine wesentliche Temperaturerhöhung nicht eintreten würde.
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Im praktischen Betrieb werden diese Vorgänge in der Weise ausgenutzt,
daß an den Stellen, an denen eine geringere Temperaturerhöhung erfolgen soll, die
Spritzeinrichtung sprunghaft ihren Abstand von der Spule verringert. Diese Bewegung
kann in Abhängigkeit gebracht werden von der Vorschubbewegung des Z@'erkstückes,
wobei die an sich bekannten Mittel aus dem Werkzeugmaschinenbau
zur
Anwendung gelangen, wie beispielsweise Kurvensteuerungen, Anschläge u. dgl. Da selbstverständlich:
auch jede Zwischenstellung der Spritzeinrichtung zwischen den beiden äußersten Fällen
6 und 6' möglich ist, können ohne Änderung der elektrischen Bedingungen an der Oberfläche
des- Werkstückes durch einfache Veränderung des Abstandes 8 zwischen Spule 3 und
Spritzeinrichtung 6 willkürlich Abschnitte stärkerer und geringerer Temperaturerhöhung
im. Werkstück und damit größere -und geringere Härteannahme oder Einhärtung erzielt
werden.
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In weiterer dieses Gedankens ist es ferner möglich, die Spritzeinrichtung
in einzelne Abschnitte zu unterteilen, wie dies in Abb.2 schematisch angedeutet
ist. Das Werkstück z soll durch die strichpunktiert angedeutete Heizspule 3 erwärmt
werden, wobei das Werkstück sich in Richtung des .Pfeiles 2 durch, die Heizeinrichtung
hindurchbewegt. Die Stelle 9 der Werkstüclio#beTfläcb,e soll nicht gehärtet werden,
sondern weich bleiben, weil: an dieser Stelle beispielsweise nachträglich Bearbeitungen
vorgenommen oder Teile aufgeschweißt werden sollen. Die Spritzvorrichtung q, ist
in einzelne Abschnitte 5, 6 und 7 unterteilt, deren Abstand von der Spule unabhängig
voneinander eingestellt werden soll. Während sämtliche Spritzeinrichtungen bei der
Behandlung des größten: Teils des: Werkstückes r den Abstand 8 vorn der Spule 3
aufweisen, führt der mittlere Abschnitt 6 in dem Augenblick, wo die weich zu haltende
Stelle 9 des -Werkstückes die Heizvorrichtung erreicht, eine den Abstand zwischen
Spule und Spritzvorrichtung verringernde Bewegurig durch, so, daß der Teil 6 in
die Lage 6' zur Spule 3 gelangt. Die Folge hiervon: ist eine wesentlich geringere
Erwärmung des Werkstückes in dem Bereich, der dem Abschnitt der Spritzeinrichtung
6 entspricht, und zwar für die Zeit, solange die Relativlage zwischen Spritzvorrichtung
6' und Spule 3 eingehafen wird. Wenn das Werkstück auf seinem Wege weitergewandert
ist und die Stelle die erreicht, wo der weich zu bleibende Teil 9 seinen Ab, schluß
findet, springt die Spritzeinrichtung von 6' nach 6 zurück, so d:aß wieder der Zustand
herbeigeführt ist, gemäß welchem. das Werkstück auf seiner gesamten Oberfläche.
gleichmäßig erwärmt wird. Die Relativbewegung des- Abschnittes. 6 zur Spule 3 im
Sinn des Pfeiles ro kann selbsttätig und wie bereits in Verbindung mit Abb. z beschrieben,
von. der Bewegung des Werkstückes abgeleitet sein.
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In manchen Fällen kann es. zweckmäßig sein, nicht nur die Relativlage
der einzelnen Spritzeinrichtungsabschnitte gegenüber der Spule 3 veränderlich zu
gestalten, sondern auch die Stärke der Kühlmittelzufuhr und damit die Stärke der
Kühlwirkung an sich zu regeln. Auch diese Regelung kann, selbstverständlich mit
bekannten Mitteln selbsttätig gesteuert werden.
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Die Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung ist jedoch nicht auf
die beiden Beispiele beschränkt, bei denen es. sich um die Behandlung von Werkstücken
handelt, deren Oberfläche eben ist. Mit großen Vorteilen können sie sinngemäß auch
angewendet werden auf Werkstücke, dhie mit Vorsprüngen wie Nocken, Rippen, Leisten
u. dgl. versehen sind. In Abb.3 ist die Behandlung eines solchen Werkstückes schematisch
dargestellt, wobei die Spule geschnitten: ist. Das Werkstück i wird in Richtung
des Pfeises:2 durch die Heizspule 3 hindurchbewegt. Im Bereich der rippenartigen
Erhöhung 13 des Werkstückes z wird durch, das magnetische Feld z r eine bestimmte
Heizwirkung hervorgerufen. Die Wirklage der Spritzvorrichtung ist dabei durch Pfeile
6 angedeutet. Im Zuge- der fortschreitenden Bewegung des Werkstücke-s gelangen Werkstück
und Spule schließlich in die bei 3' angedeutete Stellung zueinander. In dieser Stellung
schließt sich das. magnetische Feld in erster Linie durch die Ablauffläche 14 der
rippenförmigen Erhöhung und, sofern sämtliche Bedingungen gleichgehalten würden,
ergäbe sich ein starkes Überhitzen der Stelle 1q., während an der im Auslauf der
Rippe liegenden Stelle 15 eine nennenswerte Erwärmung nicht eintreten würde. Um
dies zu vermeiden, wird die Spritzeinrichtung 6 eine Zeitlang an der Stelle 1q.
festgehalten, d. h. also die Spritzeinrichtung wird gezwungen, eine Zeitlang die
Bewegung des Werkstückes mitzumachen" wodurch eine erbeb. liehe Kühlwirkung an der
Stelle 1q. erzielt und dadurch ein, Überhitzen vermieden wird. Nach geraumer Zeit
nimmt die Spritzeinrichtung die Relativbewegung zum Werkstück wieder auf, wobei
mit Rücksicht auf den bei 3" angedeuteten größeren Abstand zwischen Heizleiter und,
Werkstückoberfläche der Abstand zwischen Spritzeinrichtung 6 und Spule größer gewählt
wird. Es ist auch möglich, die gleichmäßige Temperaturerhöhung und damit die gleichmäßige
Einhärtung dadurch sicherzustellen, daß zusätzlich oder ausschließlich die Stärke
der Kühlmittelzufuhr vergrößert oder verringert wird, während die kritischen Stellen
1q. und 15 durchlaufen werden. Es kann auch beispielsweise beim Durchlaufen der
Stelle 15 die Kühlmittelzufuhr für eine bestimmte Zeit ganz abgestellt werden.
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In der Bescheibung bzw. in den: Abbildunr gen wird angenommen, daß
die Spulen, die Werkstücke umfassen. Die Maßnahmen
gemäß der Erfindung
sind sinngemäß auch dann anwendbar, wenn es sich um Spulen handelt, die sich über
der `Verkstückoberfläche schließen.