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' Vorrichtung zum elektroinduktiven Erwärmen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum elektroinduktiven Wärmebehandeln, insbesondere Härten von Lagerstellen
an Kurbelwellen oder an Werkstücken, bei denen die zu behandelnden Werkstückabschnitte
ähnlich ausmittig angeordnet sind.
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Für das Härten, insbesondere das Oberflächenhärten sowohl der zentralen
als auch der Hublagerstellen einer Kurbelwelle, sind bereits verschiedene Methoden,
und Vorrichtungen bekannt. Es wurde seinerzeit als besonderer Vorzug des elektrischen
Verfahrens gegenüber dem Erhitzen mit Flammen empfunden, daß man die Welle ruhen
lassen könne. Bei diesem Verfahren wurden die einzelnen Lagerstellen von Induktionsgeräten
umschlossen, die aufklappbar sein mußten und wobei die Aufheizung mittels Zeitrelais
gesteuert wurde, da die Oberfläche der zu härtenden Abschnitte während des Erhitzungsvorganges
nicht beobachtet werden konnte. Es mußte ferner für jedes Lager bzw. für jede Lagerzapfenabmessung
eine besondere elektrische Station vorhanden sein, und die Kurbelwelle selbst wurde
von Station zu Station verschoben, bis sie die tunnelartig angeordnete Anlage als
in allen Teilen fertigoberflächenbehandelt verlassen konnte. Die Anlage ist infolgedessen
außerordentlich raumgreifend, und es werden eine außerordentlich große Anzahl von
Transformatoren mit den dazugehörigen Einrichtungen benötigt.
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Diese bekannte Einrichtung hat indes noch einen entscheidenden Vorteil
und einen entscheidenden Nachteil. Der Vorteil liegt darin, daß die Kurbelwelle
einfach in das Härtegerät eingelegt und dieses zugeklappt wird, ohne daß es erforderlich
wäre, besondere exzentrische Einstellungen o. dgl. vorzunehmen. Die Handhabung ist
also sehr einfach. Der Nachteil besteht darin, daß bei dem ruhenden Gerät alle Fehler
elektrischer Art, insbesondere bezüglich der Stromverteilung,
direkt
auf das Werkstück übertragen werden.
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Um ein räumliches Zusammendrängen der Maschine zu erreichen und außerdem
die elektrischen Nachteile zu beseitigen, ist ein Verfahren vorgeschlagen worden,
das als ganz andersartig bezeichnet werden muß. An Stelle eines Induktionsgerätes,
das das Werkstück ,umschließt, wurde eine Heizleiterschleife benutzt, die nur auf
einem gewissen Umfang des Werkstückes an dieses angelegt wurde und wobei dann das
Werkstück selbst umlaufen mußte. Mit dieser Methode werden, insbesondere bei Kurbelwellenlagern
und -zapfen, gute Härteergebnisse erzielt. Die Einhärtung ist gleichmäßig und unbeeinflußt
von den die betreffende Lagerstelle umgebenden Werkstoffanhäufungen, d.h. also beispielsweise
den Kurbelwangen, es zeigen sich keine Überhitzungen mehr an den Ollöchern, die
Temperatur ist während des Aufheizvorganges beobachtbar u. dgl. mehr. Die Behandlung
des Werkstückes kann ohne Transport von einer Stelle zur anderen erfolgen; es werden
vielmehr die Härtegeräte mit ihren angeschlossenen Transformatoren jeweils durch
Verschieben an die Härtestelle des Werkstückes herangebracht, so daß sich die benötigten
Einrichtungen vereinfachen und auf einen geringeren Raum zusammendrängen lassen.
In der Praxis wird es aber als nachteilig empfunden, daß die Kurbelwelle oder das
sonstige Werkstück mit ausmittigen, der Behandlung zu unterwerfenden Stellen zum
exzentrischen Umlauf eingespannt werden muß. Außerdem macht sich während der Behandlung
ein Verzug bemerkbar, der unabhängig von der Einspannung einen zeitweisen exzentrischen
Lauf des Zapfens während der Aufheizung bzw. Abschreckung bewirkt.
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Wenn aber mit Rücksicht auf die zu erreichenden elektrischen Vorteile
auf den Umlauf des Werkstückes nicht verzichtet, dagegen aber das ausmittige Einspannen,
das für jedes Hublager zu wiederholen ist, vermieden werden soll, so muß das Induktionsgerät
die kreisförmige Bewegung der betreffenden Werkstücke mitmachen. In diesem Zusammenhang
ist vorgeschlagen worden, eine Vorrichtung zu verwenden, in der sich neben der zu
behandelnden Kurbelwelle eine Meisterwelle befindet, die als Schablone für die Führung
der Bewegung der Induktionsgeräte dient. Abgesehen davon, daß eine derartige Vorrichtung
naturgemäß infolge der benötigten Führungen und Umsteuerungen außerordentlich verwickelt
ist, ergeben sich auch im Hinblick auf das Erzeugnis erhebliche Nachteile. Es hat
sich nämlich gezeigt, daß der Verzug des behandelten Werkstückes im Vergleich zum
Meisterwerkstück große Werte annimmt, und zwar handelt es sich insbesondere um die
Verzugswerte, die während des eigentlichen Erhitzungsvorganges und während des Abschreckens
auftreten und hernach in diesem Maße am fertigen Werkstück nicht mehr zu beobachten
sind, da sie sich offensichtlich beim Erkalten des Werkstückes von selber wieder
ausgleichen. DieseVerzugswertewährend derWärmebehandlung sind aber derart, daß die
einwandfreie Führung der Induktionsgeräte durch die Meisterwelle in bezug auf das
zu behandelnde Werkstück nicht gewährleistet ist. Fehlbehandlungen, insbesondere
Fehlhärtungen sind die Folge. Der Erfinder hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine
Vorrichtung zum elektroinduktiven Wärmebehandeln, insbesondere zum Härten von Lagerstellen
an Kurbelwellen oder an Werkstücken, bei denen die zu behandelnden Stellen ähnlich
ausmittig angeordnet sind, anzugeben, bei der diese Nachteile vermieden sind. Vornehmlich
soll das Werkstück für den Umlauf während seiner Behandlung nicht ausmittig einzuspannen
sein, andererseits soll aber keine Meisterwelle vorgesehen werden, um die Bewegung
der Induktionsgeräte zu steuern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zwischentransformator
mit dem Induktionsgerät im gemeinsamen Schwerpunkt bzw. der Schwerpunktachse unterstützt
frei beweglich aufgehängt wird. Das Induktionsgerät umschließt die zu behandelnde
Werkstückstelle. Infolge dieser Anordnung machen der Transformator und das Induktionsgerät
die Bewegungen des Werkstückes mit.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, eine Aufhängung in
der Form eines Pendels zu wählen. Da der Transformator und.das Induktionsgerät in
ihrer gemeinsamen Schwerpunktachse unterstützt aufgehängt sind und die Lagerstellen
zusätzlich mit Kugel- oder Lagerrollen ausgerüstet werden können, ist die Kraft,
die notwendig ist, dieses System zu bewegen, außerordentlich gering, und überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß sie so gering ist, daß sie ohne Gefahr des Verzuges, Abriebs
o. dgl. an der Werkstückoberfläche vom Werkstück ausgehen kann.
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An Stelle eines Pendels kann auch ein in waagerechter Richtung hin
und her fahrbarer Wagen benutzt werden, in welchem der Transformator um seine waagerechte
Achse drehbar aufgehängt ist. In diesem wie auch im erstgenannten Falle sind am
Induktionsgerät besondere Vorkehrungen nicht erforderlich, es können vielmehr die
an sich bekannten und ganz allgemein verwendeten Abstandsrollen des Gerätes dazu
benutzt werden, um bei der Umwandlung der umlaufenden Bewegung des Werkstückes in
die hin und her gehende Bewegung des pendelnd aufgehängten Systems als Übertragungsglied
mitzuwirken.
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Die Stromzuführungen zum Transformator und die Anschlüsse für Kühl-
und Abschreckwasser werden durch die Schwerpunktachse des Systems oder in deren
Nähe eingeführt. Bei Pendelaufhängung ist es zweckmäßig, diese Anschlüsse in den
Pendel zu verlegen.
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Da das Werkstück umläuft, werden alle diejenigen Vorteile erreicht,
die das umlaufende Verfahren rein elektrisch gesehen mit sich bringt, nämlich insbesondere
den Ausgleich der Temperaturen durch die Relativbewegung der Werkstückoberfläche
gegenüber dem Induktionsgerät. Infolgedessen ist auch die Verwendung jeder Art umfassender
oder schleifenförmiger Induktionsgeräte möglich. Besonders vorteilhaft ist der selbsttätige
Ausgleich des während der Behandlung auftretenden Verzuges bei Verwendung des erfindungsgemäßen
Systems.
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In den Zeichnungen sind schematisch einige Ausführungsbeispiele dargestellt,
an Hand derer die Erfindung näher erläutert und weitere Erfindungsmerkmale aufgezeigt
werden sollen.
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Die drei Abbildungen zeigen die Vorrichtung jeweils
in
Ansicht. In allen drei Abbildungen sind für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen
gewählt.
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Bei i ist in gestrichelten Linien der zu behandelnde Kurbelwellenzapfen
dargestellt, der während der Behandlung in Richtung des Pfeiles 2 umläuft. Es handelt
sich mithin im gewählten Beispiel um den Hubzapfen einer Kurbelwelle, wobei die
Kurbelwelle selbst an ihren Enden zentrisch eingespannt ist und so in Umlauf versetzt
wird. Die Kurbelwellenzapfen sollen nach dem gewählten Beispiel an der Oberfläche
gehärtet werden, und zu diesem Zweck umschließt das Härtegerät 3, das bei 4 eine
Trennfuge zum Aufklappen aufweist, die Lagerstelle i. Der Härtekopf 3 ist durch
die Zuleitungen 5 und über den Anschlußflansch 6 mit dem Zwischentransformator 18
verbunden, der aus der Sekundärwicklung 7 und der Primärwicklung 8 besteht. Der
Zwischenflansch 6 sitzt außen' an einem Gehäuse 9, in welchem sich der Zwischentransformator
befindet.
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Damit nun das Härtegerät 3 und der Transformator 7, 8 bzw. die dazugehörigen
weiteren Einzelteile die Bewegung des Werkstückes i mitmachen können, ist das System
in seiner gemeinsamen Schwerpunktachse io so aufgehängt, daß es in Richtung des
Pfeiles ii frei beweglich ist. Der Transformator mit seinen daran befestigten Teilen
kann sich infolgedessen frei um den Drehpunkt io bewegen. Getragen wird das gesamte
System vom Pendel 12, der sich um den Drehpunkt 13 in Richtung der Pfeile 14 bewegen
kann.
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Auf diese Weise ist es möglich, das in der Schwerpunktachse aufgehängte
System mit den geringstmöglichen Kräften in Bewegung zu setzen. Die benötigten Kräfte
können noch dadurch verringert werden, daß das Gewicht des Transformators samt Gehäuse
und Induktionsgerät durch ein Gegengewicht ausgeglichen wird. Dieses' Gegengewicht
wird starr am Pendel 12 angebracht, und zwar in der gradlinigen Verlängerung über
den Drehpunkt 13 hinaus. Dieses labile Gegengewicht strebt danach, eine einmal eingeleitete
Bewegung fortzusetzen, während das Eigengewicht des Transformators und der dazugehörigen
Teile danach streben, in die Ausgangslage zurückzukehren.
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Infolge dieser Anordnung sind die Kräfte außerordentlich gering,die
am Induktionsgerät auftreten. Bei einem Induktionsgerät kommt es wesentlich darauf
an, daß der sog. Kopplungsspalt, das ist der Abstand zwischen Werkstückoberfläche
und Leiteroberfläche genauestens eingehalten wird. Um dies zu erreichen, sind in
derartigen Geräten, sofern sie im umlaufenden Verfahren benutzt werden, sog. Abstandsrollen
angeordnet. Diese Abstandsrollen werden bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung
dazu ausgenutzt, um bei der Umwandlung der umlaufenden Bewegung des Werkstückes
in die hin und her gehende Bewegung des Systems als Übertragungsorgane mitzuwirken.
Die Beanspruchungen und Kräfte an dieser Stelle sind derart gering, daß dies ohne
weiteres möglich ist.
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Abb.2 zeigt bezüglich des pendelnden Systems genau die gleiche Anordnung
wie Abb. i, nur mit der Ausnahme, daß der Transformator liegend statt stehend angeordnet
ist, wie aus der angedeuteten Sekundär- und Primärwicklung ? und 8 sowie des Transformatorenkernes
8a erkennbar ist. Das Gehäuse 9 ist ein zylindrischer Körper, der bei 9a eine ebene
Fläche aufweist, an die der Verbindungsflansch 6 angesetzt ist. Die Wirkungsweise
und die Möglichkeit der Anordnung eines Gegengewichtes sind die gleichen, wie in
Verbindung mit Abb. i beschrieben. Die Anordnung bringt lediglich eine bessere Gewichtsverteilung
mit sich.
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Abb.3 stimmt mit den voraufgegangenen Abbildungen bezüglich der Anordnung
der zu behandelnden Welle i, dem Härtegerät 3, den Zuführungen 5, dem Zwischenflansch
6, dem Transformator 7, 8 und des Gehäuses 9 mit der Abb. i überein. Indes ist der
Transformator um seine Schwerpunktachse io in Richtung der Pfeile ii drehbar in
einem wagenartigen Gestell 2o gelagert. Der Wagen 20 ist in Richtung der Pfeile
22 hin und her verschiebbar. Auch dieses System kann der umlaufenden Bewegung des
Werkstückes i in jeder Phase frei folgen, wobei infolge der Aufhängung in der Schwerpunktachse
und Anordnung von Kugel- oder Rollenlagern für die Räder des Wagens bzw. die Aufhängestelle
des Transformators die erforderlichen Kräfte außerordentlich gering gestaltet werden
können. Das Gewicht des Systems kann ausgeglichen werden durch die auf Zug und Druck
zu beanspruchenden Federn 21, die paarweise zu beiden Seiten des Gehäuses 9 angeordnet
werden. Diese Federn haben das Bestreben, das System jeweils in die einmal eingestellte
Normallage zurückkehren zu lassen.
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Zur Schonung der elektrischen Anschlüsse werden diese zweckmäßigerweise
durch die Schwerpunktachse io zugeführt. Bei der Pendelaufhängung nach Abb. i und
2 werden die Zuführungen zu diesem Punkt hingeleitet, indem sie in den Pendel 12
verlegt werden. Das gleiche gilt für die Wasseranschlüsse, die notwendig sind für
die Transformatorkühlung und für das Abschreckwasser für das Härtegerät 3. Bei einer
Vorrichtung gemäß Abb. 3 erfolgt die Zuführung zur Schwerpunktachse io sinngemäß
entsprechend, beispielsweise mittels Schläuchen für die Wasserzufuhr und durch flexible
Kabelanschlüsse für die elektrische Zuleitung.
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Die Härtegeräte nach Abb. i und 3 sind einfache Ringkörper, die mit
einer Trennfuge 4 versehen sind, um sie zum Einlegen des Werkstückes i öffnen und
alsdann wieder schließen zu können. Im Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 ist jedoch
ein Gerät besonderer Art dargestellt. An den Zuführungen 5 sitzt eine Heizleiterschleife
25, die den zu härtenden Zapfen höchstens zur Hälfte umfaßt. Durch Abstandsrollen
wird die Heizleiterschleife im einmal gewählten Kopplungsabstand von dem Zapfen
gehalten.
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Die Arbeitsweise mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht
in einfacher Weise darin, daß die Kurbelwelle zentrisch eingespannt wird, so daß
die Hublager i kreisende Bewegungen durchführen. Nacheinander werden an die einzelnen
Stellen i die Geräte 3 angeschlossen und das Werkstück so lange in Umlauf gesetzt,
bis die Härtetemperatur erreicht und nach Abschalten des Stromes der durch die Kühlflüssigkeit
bewirkte Abschreckvorgang beendet ist.
Zum Behandeln einer Welle
ist jeweils nur eine Vorrichtung gemäß der Erfindung erforderlich, mit der sowohl
die Hublager als auch die zentralen Lager behandelt werden können. Gegenüber den
bekannten Vorrichtungen wird daher sowohl bezüglich des gesamten Aufbaues als auch
bezüglich der Durchführung der einzelnen Arbeitsphasen eine wesentliche Vereinfachung
erzielt, wobei gleichzeitig die Erstellungskosten niedrig gehalten werden, weil
nur eitle einzige elektrische Station je gesamte Vorrichtung erforderlich ist.
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Es ist selbstverständlich, daß mit einer derartigen Vorrichtung nicht
nur ein Oberflächenhärten von Kurbelwellen durchgeführt werden kann, sondern auch
andere Wärmebehandlungen, falls dies erwünscht ist. Die Anwendung des Gerätes ist
außerdem nicht beschränkt auf Kurbelwellen, es können vielmehr mit einer solchen
Vorrichtung mit Erfolg auch andere Werkstücke behandelt werden, die mit ausmittig
angeordneten zu behandelnden Stellen versehen sind oder während der Behandlung durch
Verzug ausmittig umlaufen.
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Die Erfindung ist ferner nicht beschränkt auf die beschriebenen und
dargestellten Ausführungsbeispiele, an denen Abänderungen vorgenommen werden können,
ohne daß dadurch vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen würde.