DE865924C

DE865924C - Coil or conductor loop for electro-inductive heating of metallic workpieces

Info

Publication number: DE865924C
Application number: DED1631D
Authority: DE
Inventors: Hermann Kuhlbars; Gerhard Dr-Ing Seulen
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1940-07-04
Filing date: 1940-07-04
Publication date: 1953-02-05

Description

Spule oder Leiterschleife zum elektroinduktiven Erhitzen metallischer Werkstücke Zum Erhitzen von metallischen Werkstücken bedient man sieh bekanntermaßen der Induktionswirkung von Wechselströmen, wobei mittels Spulen oder Leiterschleifen, die unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators an. die Stromquelle angeschlossen werden, in den Werkstücken induzierte Ströme hervorgerufen werden. Je nach ihrem Verlauf im Werkstück rufen diese induzierten Ströme mehr oder minder starke Erwärmungen hervor, die sich entweder an der Oberfläche konzentrieren oder in die Tiefe des Werkstückes eindringen. Das bekannte Mittel des induktiven Erhitzens wird sowohl zum Erhitzen allein ausgenutzt als auch für die Härtung von Werkstücken, indem nachfolgend die Werkstücke abgeschreckt werden.Coil or conductor loop for electroinductive heating of metallic ones Workpieces As is known, one uses to heat metallic workpieces the induction effect of alternating currents, whereby by means of coils or conductor loops, directly or with the interposition of a transformer. the power source are connected, induced currents are generated in the workpieces. Depending on their course in the workpiece, these induced currents call more or less strong warming emerges, which is either concentrated on the surface or penetrate into the depth of the workpiece. The well-known means of inductive heating is used both for heating alone and for hardening workpieces, by subsequently quenching the workpieces.

Für das Aufheizen ist es wesentlich, die Wärmewirkung an den Stellen und in einer Stärke .entstehen lassen zu können, die dem Verwendungszweck des behandelten Werkstückes angepaßt ist. Hierzu stehen bisher bereits einige Mittel zur Verfügung. Durch Veränderung der Kopplung, d. h. also des Abstandes zwischen Heizleiter und Werkstückoberfläche, kann eine Regelung der Aufheizwirkung in gewissen Grenzen. hervorgerufen werden. Auch dadurch, daß der Heizleiter längs seiner Erstreckung mit unterschiedlichen Querschnittsformen unterschiedlichen Querschnittsflächeninhaltes ausgerüstet wird; läßt sich die Heizwirkung beeinflussen, weil die Stromdichte im Heizleiter sich mit den zur Verfügung stehenden Leiterquerschnitten ändert. Im allgemeinen kann auch bei dieser Maßnahme nicht darauf verzichtet werden, den Kopplungsabstand längs des Heizleiters verschieden groß zu machen. Diese Mittel werden für die einseitige, allseitige oder teilweise Behandlung runder Zapfen, beliebig gekrümmter oder anders geformter Werkstücke, ebener Bleche oder anderer langgestreckter Teile verwendet. Dabei kann das Aufheizen der gesamten zu beliandelnden Oberfläche durch eine diese überdeckende Spute ohne Relativbewegung zwischen Heizgerät und Werkstück erfolgen, es können jedoch auch, durch einen oder mehrere in Längs- oder Querrichtung sich erstreckende Heizleiter nur Teile der Gesamtoberfläche des Werkstückes aufgeheizt und durch Relativbewegung zwischen- Heizgerät und Werkstück das gleichmäßige Aufheizen der Oberfläche vorgenommen werden.For the heating up, it is essential that the heat effect on the points and in a strength. to be able to develop that the intended use of the treated Workpiece is adapted. Some means are already available for this. By changing the coupling, i. H. i.e. the distance between the heating conductor and Workpiece surface, the heating effect can be regulated within certain limits. be evoked. Also in that the heating conductor along its extension with different cross-sectional shapes different Cross-sectional area is equipped; the heating effect can be influenced because the current density im The heating conductor changes with the available conductor cross-sections. In general the coupling distance cannot be dispensed with with this measure either to make different sizes along the heating conductor. These funds are used for the unilateral, all-round or partial treatment of round tenons, arbitrarily curved or different shaped workpieces, flat sheets or other elongated parts are used. The entire surface to be coated can be heated by one of these overlapping spute take place without relative movement between heater and workpiece, However, it can also, by one or more in the longitudinal or transverse direction extending heating conductor only heated parts of the total surface of the workpiece and through the relative movement between the heater and the workpiece, the uniform heating the surface.

Spulen oder Leiterschleifen, die unter Verwendung .dieser bekannten Maßnahmen betrieben werden, bringen verschiedene Nachteile mit sich. Die Einstellung unterschiedlicher Kopplungen an verschiedenen Stellen ein und derselben Heizeinrichtung läßt sich nur schwer durchführen, da der Kopplungsabstand im allgemeinen je nach Frequenz 0,5 bis 5 mm beträgt, und beispielsweise beiunbearbeiteten Werkstücken beträgt vielfach bereits-die Toleranz für die Bearbeitungszugabe mehr als .der erforderliche Kopplungsabstand. Die Anordnung von Querschnittsverminderungen zur Erhöhung der Stromkonzentration. hat .den Nachteil, daß an diesen Stellen die Durchführung der erforderlichen Kühlung erschwert ist'und andererseits der für die Halterung der Einrichtung erforderliche Werkstoffquerschnitt vielfach nicht oder in nur unzureichendem Maße zur Verfügung steht. Abgesehen hiervon erschweren die Mittel, die zum Einhalten der verschicdenen Kopplungsgrade- erforderlich sind, nicht nur die Herstellung .der -Vorrichtung an sich, sondern auch das Arbeiten mit einer solchen Vorrichtung.Coils or conductor loops made using .these known Measures are operated, bring various disadvantages with them. The setting different couplings at different points on the same heating device can only be carried out with difficulty, since the coupling distance generally depends on Frequency is 0.5 to 5 mm, and for example with unmachined workpieces In many cases, the tolerance for the machining allowance is already more than the required one Coupling distance. The arrangement of cross-section reductions to increase the Current concentration. has the disadvantage that the implementation of the Required cooling is made difficult and on the other hand that for holding the Facility required material cross-section often not or only inadequate Dimensions is available. Apart from this, the means make it difficult to adhere to the various degrees of coupling are required, not just the production Device per se, but also working with such a device.

Diese Nachteile und Schwierigkeiten sollen gemäß der Erfindung vermieden werden, und zwar auch dadurch, daß die Spulen oder--Leiterschleifen ihre Querschnittsform längs ihrer Erstreckung ändern. Abweichend vom Bekanntdn weisen aber die stetig oder sprunghaft ineinander übergehenden Quer-. schnittsformen gleichen Flächeninhalt auf; so daß dem -Werrkstück jeweils größere oder kleinere Flächen der Heizleiter unmittelbar benachbart sind. Die Zuordnung dieser unterschiedlich großen wirksamen Heizleiteroberflächen zur Werkstückober--fläche wird der gewünschten Temperaturverteilung angepaßt- Mit dieser Maßnahme läßt sich die Heizwirkung im Werkstück steuern, -ohne daß eine Veränderung'des Abstandes zwischen wirksamer Heizleiteroberfläche und Werkstückoberfläche, d, h.. altso des Kopplungsgrades; erforderlich ist. Desgleichen entfällt -die Notwendigkeit des herstellungstechnisch unbequemen Veränderns der Leiterquerschnittsfläehen. Soll beispielsweise an einer Stelle des Werkstückes eine starke Erwärmung eintreten, so wird diesem Werkstückteil eine größere Wirkoberfläche des Heizleiters unmittelbar zugeordnet als denjenigen Stellen, die ein geringeres Aufheizen erfahren sollen.These disadvantages and difficulties are to be avoided according to the invention also by the fact that the coils or conductor loops have their cross-sectional shape change along its extension. Deviating from what is known, however, they show steadily or abruptly merging transverse. Sections have the same area on; so that the workpiece is larger or smaller areas of the heating conductor are immediately adjacent. The assignment of these differently sized effective The desired temperature distribution becomes the heating conductor surfaces for the workpiece surface adapted- With this measure, the heating effect in the workpiece can be controlled, -without that a change in the distance between the effective heating conductor surface and the workpiece surface, d, h .. altso the degree of coupling; is required. Likewise, there is no need the uncomfortable changing of the conductor cross-sectional areas from a manufacturing point of view. Intended to For example, strong heating occurs at one point on the workpiece, a larger active surface area of the heating conductor becomes this workpiece part directly assigned to those places that should experience less heating.

Die Wirkungsweise von Spulen oder Leiterschleifen gemäß der Erfindung werden im nachfolgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.The operation of coils or conductor loops according to the invention are explained in more detail below with reference to some exemplary embodiments.

Nach Abb. i soll ein im Ausschnittdargestelltes Werkstück durch einen Heizleiter 2 an' seiner Oberfläche io erwärmt werden, beispielsweise um diese Oberfläche zu härten. Die Oberfläche soll aber nicht an allen Stellen gleichmäßig hohe Härte zeigen, sondern an einigen Stellen härter werden bzw. tiefer einharten als an anderen Stellen, und dies hat zur Bedingung, daß,das Aufheizen an der Oberfläche entsprechend eingestellt wird. Hierzu wird gemäß der Erfindung der in Abb. i dargestellte Heizleiter verwendet, dessen Querschnittsformen 5, 6 und 7 in Abb. 2 im Schnittdargestellt sind. Die Querschnittsformen haben sämtlich den gleichen Flächeninhalt 8, wobei zweckmäßgerweise auch noch dafür Sorge getragen werden kann, daß der innere Hohlraum, der der Kühlmittelzufuhr dient, ebenfalls einen stets gleichbleibenden Flächeninhalt des Querschnittes aufweist, um eine Wirbelung des Kühlmittels in diesen Räumen zu vermeiden.According to Fig. I, a workpiece shown in the detail is to be replaced by a Heat conductor 2 are heated on 'its surface io, for example around this surface to harden. However, the surface should not be equally hard at all points show, but become harder or harder in some places than in others Provide, and this has the condition that, the heating on the surface accordingly is set. For this purpose, according to the invention, the heating conductor shown in Fig. I used, the cross-sectional shapes 5, 6 and 7 shown in Fig. 2 in section are. The cross-sectional shapes all have the same area 8, where Expediently, care can also be taken that the inner cavity, which is used to supply coolant, also has a constant surface area of the cross-section to swirl the coolant in these spaces avoid.

Wenn nun das Werkstück senkrecht zur Zechenebene unter dem Heizleiter 2 hindurchbewegt wird, so weist es beim Verlassen des Heizleiters die stärkste Erwärmung an der Stelle auf, die unter Einfluß des Teiles 7 gestanden hat, während die Stellen, die unter Einfluß des Teiles 5 standen, in geringerem Maße aufgeheizt wurden und die Teile gegenüber 6 die geringste Aufheizung zeigen.If now the workpiece is perpendicular to the colliery level under the heating conductor 2 is moved through it, it has the greatest warming when leaving the heating conductor at the point that was under the influence of part 7, while the points which were under the influence of part 5, were heated to a lesser extent and the parts show the least heating compared to 6.

Dies hängt damit zusammen, daß,die Ströme sich verhältnismäßig gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Leiters verteilen, und wenn nun beispielsweise eine Leiterform gewählt wird, wie sie bei 6 der Abb. 2 angedeutet ist; so fließt ein sehr viel geringerer Anteil :der Ströme in unmittelbarer Nachbarschaft der Werkstückoberfläche als beispielsweise bei einer Querschnittsform, wie sie in Abb.2 bei 7 dargestellt ist. Die in ,der Nähe der dem Werkstück abgekehrten Oberfläche des Heizleiters fließenden Stromteile .haben ,gegenüber dem Werkstück eine schlechtere Kopplung als die anderen Stromteile, so daß auf diese Weise eine Beeinflussung der Wirksamkeit .der gesariiten im Heizleiterquerschnitt fließenden Strommenge möglich ist, ohne den tatsächlichen Kopplungsgrad des Heizleiters gegenüber dem Werkstück zu verändern.This is due to the fact that the currents are relatively even Distribute over the entire cross-section of the conductor, and if so, for example a ladder shape is selected, as indicated at 6 of Fig. 2; so flows a much smaller proportion: the currents in the immediate vicinity of the workpiece surface than, for example, with a cross-sectional shape as shown in Fig. 2 at 7 is. The ones flowing in the vicinity of the surface of the heating conductor facing away from the workpiece Stromteile .have a worse coupling to the workpiece than the others Stream parts, so that in this way an influence on the effectiveness of the total Amount of current flowing in the heating conductor cross-section is possible without the actual To change the degree of coupling of the heating conductor with respect to the workpiece.

In Abb. i wurde der Erfindungsgegenstand in Verbindung mit einem ebenen Werkstück dargestellt. Es ist selbstverständlich, .daß die Maßnahmen der Erfindung ebenso wirksam angewendet-werden können in Verbindung mit Werkstücken, die andere Formen aufweisen, beispielsweise Formteile, Zapfen einer Welle, Hohlzylinder, Zahnräder u. dgl.In Fig. I the subject of the invention was combined with a flat Workpiece shown. It goes without saying that the measures of the invention can just as effectively be used in connection with workpieces, the other Have shapes, for example molded parts, journals of a shaft, hollow cylinders, gears and the like

In Abb. 3 ist der Erfindungsgedanke angewendet auf die Behandlung eines Werkstückteiles, dem unsymmetrische Begrenzungsflächen anliegen, und zwar handelt es sich um einen Kurbelwellenzapfen. Die Kurbelwangen 2 des Kurbelzapfens i geben zu gewissen Störungen dadurch Veranlassung, daß an den Stellen, an denen die Kurbelwangen aufragen, eine starke Wärmeabfuhr eintritt und eine größere Streuung der magnetischen Kraftlinien zu beobachten ist. Um der größeren Streuung und der stärkeren Wärmeabfuhr zu begegnen, wird die Querschnittsform der parallel oder in Reihe geschalteten Einzelleiter bei 3 so gewählt, daß eine möglichst breite Fläche der Werkstückoberfläche unmittelbar benachbart ist. An der entgegengesetzten. Seite ödes Zapfens, an welchem die Kurbelwangen nicht aufragen, sind Störungen durch Streuflüsse und Wärmeabfuhr nicht zu befürchten, und an dieser Stelle wird die Querschnittsform der Einzelleiter so gewählt, daß die Wirkfläche geringere Breite aufweist Tals bei 3. Der dem in .der Spule fließenden Strom zur Verfügung gestellte Querschnitt ist jedoch auf der ganzen Länge der Windungen stets gleich groß.In Fig. 3 the idea of the invention is applied to the treatment of a workpiece part, which abut the asymmetrical boundary surfaces, namely acts it is a crankshaft journal. Put the crank webs 2 of the crank pin i to certain disturbances caused by the fact that in the places where the crank webs rise, a strong heat dissipation occurs and a greater scattering of the magnetic Lines of force can be observed. About the greater dispersion and the stronger heat dissipation the cross-sectional shape of the individual conductors connected in parallel or in series at 3 chosen so that the largest possible area of the workpiece surface immediately is adjacent. On the opposite. Side of the barren pin on which the crank webs do not protrude, interference from leakage flux and heat dissipation is not to be feared, and at this point the cross-sectional shape of the individual conductors is chosen so that the active area has a smaller width valley at 3. The one flowing into the coil The cross section made available is, however, along the entire length of the turns always the same size.

Besondere Schwierigkeiten bereitete bisher stets das gleichmäßige Aufheizen von geraden oder schiefen Kegeln, Kegelstümpfen, Halbkugeln, Kalotten u. dgl. Werkstücke dieser Art müssen, um sie überhaupt auf der gesamten Oberfläche gleichmäßig erwärmen zu können, während des Aufheizens fortlaufend gedreht werden. Legt man nun um ein solches Werkstück eine Spule herum, so haben ,die in dem Werkstück sich schließenden. Stromwege, je nachdem ob beispielsweise die Spitze eines Kegels oder die Basis betrachtet wird, verschieden lange Stromwege zurückzulegen. Bei gleichförmiger Ausbildung des Heizleiters würde daher die Heizwirkung verschieden tief in das Werkstück eindringen, und zwar dort am tiefsten, wo die Werkstückteile bei der Drehung die kürzesten Wege zurücklegen.So far, the constant has always caused particular difficulties Heating of straight or crooked cones, truncated cones, hemispheres, calottes and the like. Workpieces of this type must in order to have them at all on the entire surface to be able to warm up evenly, can be turned continuously while heating up. If a coil is now placed around such a workpiece, it will be in the workpiece closing. Current paths, depending on whether, for example, the tip of a cone or the basis is considered to cover current paths of different lengths. With uniform Training the heat conductor would therefore have different depths of the heating effect in the workpiece penetrate, deepest where the workpiece parts during rotation cover the shortest distances.

Bildet man dagegen den Heizleiter entsprechend der Erfindung aus, so sind diese Schwierigkeiten zu beheben.If, on the other hand, the heating conductor is formed according to the invention, this is how these difficulties can be remedied.

In. Abb. 4 ist ein Heizgerät 2 dargestellt, das das kegelförmige Werkstück i umfaßt und das von den Stromzuführungen 3 gespeist wird. Wie aus Abb. 5 ersichtlich, kehrt der Heizleiter 2 in der Ebene A-B in der Nähe der Spitze des Kegels dem Werkstück eine sehr schmale Oberfläche zu, während diese Fläche in der Nähe der Basis bei E-F sehr breit ist. Zweckmäßig verwendet man zur Herstellung eines solchen Heizleiters ein Rohr, das entsprechend flach gedrückt wird, wobei die Rohrform für den mittleren Teil des Kegels bei C-D erhalten bleibt.In. Fig. 4 shows a heater 2, which the conical workpiece i and which is fed from the power supply lines 3. As can be seen from Fig. 5, the heating conductor 2 turns in the plane A-B near the tip of the cone to the workpiece a very narrow surface too, while this surface is near the base E-F is very broad. It is expedient to use for the production of such a heating conductor a tube that is flattened accordingly, the tube shape for the middle one Part of the cone at C-D is preserved.

Bei Werkstücken, die mehr die Form von Halbkugeln, Kalotten od. dgl. aufweisen, ist es zweckmäßig, nicht mit einem Heizleiter zu arbeiten, der das Werkstück umfaßt, sondern der in der Form einer Leiterschleife .das Werkstück überdeckt. Die Ausbildung der Querschnittsformen bei gleichbleibendem Flächeninhalt der Querschnitte erfolgt nach den in Verbindung mit Abb. 4 und 5 geschilderten Gesichtspunkten. Das Werkstück muß, um eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Oberfläche zu gewährleisten, in Umlauf gesetzt werden.For workpieces that are more in the shape of hemispheres, domes or the like. have, it is advisable not to work with a heating conductor that the workpiece includes, but which covers the workpiece in the form of a conductor loop. the Formation of the cross-sectional shapes with the same area of the cross-sections takes place according to the aspects described in connection with Figs. 4 and 5. That In order to ensure uniform heating of the entire surface, the workpiece must be put into circulation.

Der Vorteil von Heizvorrichtungen, bei denen der Inhalt der Quer schnittsfläche bei geänderter Querschnittsform stets gleichbleibt, liegt, wie bereits festgestellt, darin, daß eine Änderung des tatsächlichen Kopplungsgrades gegenüber dem Werkstück längs der Erstreckung des Heizleiters nicht erforderlich ist. Es kamt, aber auch zusätzlich eine solche Änderung des Kopplungsgrades vorgenommen werden. Im allgemeinen wird man bei wachsender Breite des Heizleiters die Kopplung enger wählen.The advantage of heating devices in which the content of the cross-sectional area always remains the same with a changed cross-sectional shape, as already stated, that a change in the actual degree of coupling with respect to the workpiece along the extension of the heating conductor is not required. It came, but also such a change in the degree of coupling can also be made. In general the coupling will be chosen closer as the width of the heating conductor increases.

Der Übergang von einer Querschnittsform zur anderen kann entweder stetig erfolgen, indem man beispielsweise, wie bereits erwähnt, vors einem rohrförmigen Querschnitt ausgehend diesen zunehmend in der einen oder anderen Richtung abflacht. Es kann aber auch der Übergang sprunghaft erfolgen, wobei gewisse Übergänge zwischen .den einzelnen Querschnittsformen zweckmäßigerweise vorzusehen sind.The transition from one cross-sectional shape to another can be either be done steadily by, for example, as already mentioned, in front of a tubular Cross-section starting from this increasingly flattened in one direction or the other. However, the transition can also take place abruptly, with certain transitions between .The individual cross-sectional shapes are expediently provided.

Claims

PATENT CLAIMS: i. For electroinductive heating of metallic workpieces certain coil or conductor loop, the cross-sectional shape of which extends along its extension changes, characterized in that the continuously or abruptly merging into one another Cross-sectional shapes have the same area, so that .dem workpiece each larger or smaller areas of the heating conductors are immediately adjacent.

2nd coil according to claim i for the treatment of workpieces with asymmetrical boundaries, such as crankshaft journal or the like.,. Characterized in that the larger surfaces the heating conductor are immediately adjacent to the points of the workpiece, which the have strongest heat dissipation and scattering.

3. Coil according to claim i for treatment of workpieces with spherical, conical or similar surfaces, characterized in that the heating conductor at points with a large workpiece diameter the workpiece faces an area of greater width than at points with a smaller workpiece diameter.

4. Coil according to claim i to 3, characterized by the coupling between them becoming tighter Heating conductor and workpiece as the width of the heating conductor increases. Referred publications: French patents nos. 836 818, 8432,48-