DE870142C - Verfahren zum fortschreitenden elektrischen Erhitzen von Gegenstaenden und Vorrichtung zur Ausuebung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum fortschreitenden elektrischen Erhitzen von Gegenstaenden und Vorrichtung zur Ausuebung des Verfahrens

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DE870142C
DE870142C DED1628D DED0001628D DE870142C DE 870142 C DE870142 C DE 870142C DE D1628 D DED1628 D DE D1628D DE D0001628 D DED0001628 D DE D0001628D DE 870142 C DE870142 C DE 870142C
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workpiece
coil
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heating
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DED1628D
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Gerhard Dr-Ing Seulen
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Deutsche Edelstahlwerke AG
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Deutsche Edelstahlwerke AG
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/36Coil arrangements
    • H05B6/40Establishing desired heat distribution, e.g. to heat particular parts of workpieces

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)

Description

  • Verfahren zum fortschreitenden elektrischen Erhitzen von Gegenständen und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens . Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum fortschreitenden elektrischen Erhitzen von Gegenständen unter Ausnutzung im Werkstück induzierter Ströme.
  • Es ist an sich bekannt, daß das elektrische Erhitzen, insonderheit das oberflächliche Erhitzen von Gegenständen: zum Zweck dies Oberfläcbenhürbens unter nachfolgendem Abschrecken mit besonderem Vorteil unter Ausnutzung der Heizwirkung im Werkstück induzierter elektrischer Ströme erfolgen kann. Für diese Zwecke gehören die verschiedensten Vorschläge über die Ausbildung der Spulen zum bekannten Stand der Technik, und es sind bereits eine Reihe von nicht vorbekanriten Vorschlägen auf diesein Gebiet gemacht worden. Im großen und ganzen befassen sich die früheren Vorschläge mit verschiedenartigen Ausbildungen der Spule, die entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators an die Stromquelle angeschlossen wird.
  • Die einseitige Wirkung der induzierten Ströme, d. h. also die einseitige Erwärmung des Werkstückes wird im allgemeinen durch eine Spule erzielt, die das Werkstück vollkommen umschließt, wobei aber in der Nähe der Oberfläche, die gehärtet werden soll, der Heizleiter einen geringeren Querschnitt und eine engere Kopplung zum Werkstück aufweist als an derentgegengesetzten Seite, wodurch die Stromverteilung und Konzentration im Werkstück so geführt wird, daß die notwendige Erwärmung auf nur einer Oberfläche des Werkstückes gewährleistet wird.
  • Eine solche Einrichtung- weist aber sowohl elektrisch als auch thermisch einen nicht voll befriedigeraden- Wirkungsgrad auf. Was den elektrischen Wirkungsgrad anlangt, ist dies auf das Erfordernis zurückzuführen; daß zur Kompensation induktiver Blindströme Kondensatoren zugeschaltet werden müssen. Der für diese Kondensatoren erforderliche Y Aufwand macht es daher erstrebenswert, Maßnahmen vorzusehen, die die Anzahl und Größe der Kondensatoren auf ein Mindestmaß zu beschränken gestattet. Der thermische Wirkungsgrad könnte dadurch verbessert werden, daß nicht ausschließlich der induzierte Strom im Werkstück zur Erwärmung nutzbar gemacht wird, sondern auch die Wirkung eines unmittelbar zugeführten Ohmschen Stromes.
  • . .In Verbindung mit einer Einrichturng, bei welcher zwischen Werkstück und Heizleiter eine Re'lativbewegung.nicht vorgesehen war, ist bereits vorgeschlagen worden, als Rückleiter für den eigentlichen Heizleiter das Werkstück selbst zu benutzen, d. h. es sind Werkstück und Heizleiter in Reihe geschaltet worden. Durch diese bekannte Maßnahme wird eine Erwärmung des Werkstückes an der Oberflache durch den unmittelbaren Stromdurchgang, d. h. durch rückfließenden Strom, erzielt. Infolge der Anordnung des linienförmigen Heizleiters über dem Werkstück wird zwar zusätzlich eine Konzentration des rückläufigen Stromes an der Oberfläche des Werkstückes hervorgerufen, so daß an sich eine starke Erhitzung der Oberflächenschichten ermöglicht wird. Eine nennenswerte induzierende Wirkung tritt jedoch nicht ein. Die bekannte Einrichtung muß aber außerdem versagen, wenn. zwischen dem Werkstück und dem Heizgerät zur fortschreitenden Erhitzung der Oberfläche eine Relativbewegung hervorgerufen wird. Der elektrische Kontakt. zwischen der Stromzuführung und dem Werkstück muß ein außerordentlich guter sein, und nach dem bekannten Vorschlag ist daher auch ein Verlöten oder Verschweißen der Zuführungsdrähte mit dem Werkstück erforderlich. Ein gleitender Kontakt zwischen Werkstück und Stromzuführung, wie sie eine fortschreitende Erwärmung der Oberfläche erforderlich machen würde, wäre nicht möglich, weil die ständige Änderung- des Widerstandes an -der Kontaktstelle zum Verschmoren der Kontakte oder zu sonstigen elektrischen Störungen Veranlassung geben würde.
  • Gemäß der Erfindung soll für das fortschreitende Erhitzen von Gegenständen sowohl die Wirkung der induzierten Ströme alsi auch @dlie jonilec%e Wärme von Strömen ausgenutzt werden, die unmittelbar dem Werkstück zugeführt werden, wodurch einerseits der Wirkungsgrad verbessert und andererseits eine elektrische Einrichtung ermöglicht wird, .bei . der die Zuschaltung von Kondensatoren auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann. Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht mithin darin, die durch eine Induktionsspule im Werkstück induzierten Strömen durch unmittelbaren Stromdurchgang in dien zu., erhitzenden Werkstückschicbten gleichsinnig zu verstärken und in. den nicht zu erhitzenden Werk,stüc'ksdhichct#-n gegensinnig zu schwächen. Dabei wird der unmittelbare Stromdurchgang dadurch sichergestellt, daß das Werkstück zur Induktionsspule in Nebenschluß geschaltet wird oder aber daß sowohl die Spule als auch das Werkstück zu einer ninzrigen Stromquelle par(al#lel geschaltet sind. Der KOntalit zwischen dem Werkstück und den Teilen, die dem Werkstück unmittelbar Strom zuführen, kann bei diesem Verfahren durch einfache Schleifkontakte od. dgl. sichergestellt werden; denn infolge der gewählten Schaltung wird sich bei einer Widerstandserhöhung an der Kontaktstelle die Stromstärke in der im Nebenschluß oder in Parallelschaltumg liegenden Induktionsspule erhöhen, wodurch die Wirkung der Verminderung des direkten Stromes im Werkstück ausgeglichen öder zum mindesten annähernd ausgeglichen wird. Andererseits wird unter Ausnutzung der thermisch günstigeren Ohmschen Ströme eine Verminderung der erforderlichen Kondensatoren möglich, da die Induktivität der Gesamtanordnung gegenüber den bisher vorgeschlagenen Einrichtungen geringer ist.
  • Die Wechselstromquelle für die Anlage wird im allgemeinen mit hoher Frequenz zu betreiben sein. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung ermöglichen indes eine Verringerung der Frequenz, und insliesondere, wenn: es, sich um ecke Erzielung großer Härtetiefen handelt, kann mit Erfolg eine Frequenz von 5o bis 5oo Hz verwendet werden.
  • Im nachfolgenden wird der Erfindungsgedanke an einigen schematisch dargestellten. Ausführungsbeispielen für Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens näher erläutert.
  • Gemäß Abb. i soll das Werkstück i im fortschreitenden Verfahren an einer Oberfläche erhitzt und durch nachfolgendes Abschrecken gehärtet werden. Zu diesem Zweck ist eine Induktionsspule 2-3 vorgesehen, die durch Stromzuführungen q. mit einer Wechselstromquelle 5 verbunden ist. Der eigentliche Heizleiter ä, der in der Nähe der zu erhitzenden Oberfläche des Werkstückes liegt, hat verhältnismäßig kleinen Querschnitt und steht in enger Kopplung zum Werkstück, während die übrigen Leiterteile 3 der Spule verhältnismäßig großen Querschnitt und weite Kopplung zum Werkstück aufweisen, wie dies an sich bekannt ist. Der Stromverlauf innerhalb einer Halbwelle des Wechselstromes sei durch die Pfeile 6 angedeutet. Es fließt dann im Werkstück ein induzierter Strom, der in Richtung der strichpunktierten Pfeile 7 und 8 fließt. Infolge der konzentrierenden Wirkung des um die Heizleiter 6 gebildeten magnetischen Feldes ist die Konzentration der Ströme bei 7 stärker als bei 8 und es wird daher das Werkstück an der gewünschten Stelle stärker und in kürzerer Zeit erwärmt als an der entgegengesetzten Fläche. Erfindungsgemäß wird nun dem Werkstück unmittelbar Strom zugeführt, und zwar im Nebenschluß zur Spule 2-3, indem von den. Spulenleiterteilen 3 elektrische Zuleiturigen zum Werkstück vorgesehen werden. Der Strom, der infolge dieser beiden Zuleitungen 9 im Werkstück zusätzlich fließt, ist durch die Pfeile io und i i angedeutet. Es ist ersichtlich, daß infolge der gegebenen Stromrichtung der direkte Strom i i den induzierten Strom 8 schwächt und bei geeigneter Wahl der eventuell zusätzlichen Widerstandsgrößen in den Leiterzweigen vollkommen aufheben kann. D -egenüber verstärkt der direkte Strom io im Werkstück den induzierten Strom 7; da er mit diesem gleichgerichtet ist. Induzierter Strom und direkter Strom verstärken sich mithin gegenseitig an der Stelle, an der eine starke Aufheizung der Oberflächerischicht erwünscht ist, wäbee:nd sie sich auf der entgegengesetzten Oberfläche, an der eine Erwärmung unterbleiben soll, schwächen.
  • Die Zuleitung der Ströme zum Werkstück erfolgt über Kontaktstücke 9, die als Schleifkontakte od. dgl. ausgebildet sind. Wenn der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktstücken 9 und dem Werkstück sich infolge der fortschreitenden Bewegung des Werkstückes an diesen Kontaktstücken entlang ändert, so ändern sich die in der Spule und im Werkstück fließenden direkten Ströme umgekehrt zu den auf den Stromwegen vorliegenden Widerständen. Eine Schwächung des Stromes im Werkstück bringt daher eine Erhöhung des Stromes in den Leiterteilen 3 selbsttätig mit sich, wodurch aber gleichzeitig die Induktionswirkung der Spule an sich vergrößert wird. Die Vergrößerung der Induktionswirkung gleicht die Verminderung der Heizwirkung; hervorgerufen. durch Herabsetzung des direkt fließenden Stromes, aus.
  • Während gemäß Abb. i zwei Kontaktstellen an der Spule die elektrische Verbindung mit dem Werkstück derart herstellen, daß dieses im Nebenschluß zur Spule liegt, kann die Anordnung auch so getroffen werden, daß an die Stromquelle eine an sich bekannte Induktionsspule angeschlossen wird, während dem Werkstück Strom unmittelbar über einen getrennten Kontaktbügel zugeführt wird. Eine solche Anordnung ist in. Abb. 2 schematisch dargestellt. Das Werkstück i wird von einer Spule 2 vollkommen umfaßt, die durch Anschlußstücke 3 mit der Stromquelle verbunden ist. Die unmittelbare Stromzuführung zum Werkstück geschieht über den Strombügel 4 und die Kontaktstellen,5. Der Strombügel 4, der das Werkstück zweckmäßig teilweise umfaßt, ist durch die Anschlußstücke 6 mit der gleichen Stromquelle verbunden wie die Spule 2. Spule und Bügel liegen mithin in Parallelschaltung zur Stromquelle. Der das Werkstück umfassende Teil des Bügels 4 wird zweckmäßig mit dem gleichen Querschnitt und der Kopplung versehen wie die Spule 2, so daß sowohl Spule 2 als auch Bügel 4 an der Konzentrierung der Heizströme im Werkstück gleichmäßig beteiligt werden.
  • Die Wirkung bei einer Einrichtung nach Abb. 2 ist die gleiche wie nach Abb. i. Sowohl bei einer Vorrichtung nach Abb. i als auch nach Abb. 2 können die in den einzelnen Leiterteilen fließenden Ströme durch Anwendung Ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstände aufeinander abgestimmt werden. Die Abstimmung kann ferner auch durch geometrischeAusbildungder einzelnenLeiterteile erfolgen.
  • Die gewünschte Einwirkung der im Werkstück fließenden induzierten und direkten Ströme macht es erforderlich, die Stromanschlußstücke für die Induktionsspule im Heizleiterteil vorzusehen (vgl. die Anschlußstücke 4 im Heizleiter :2 gemäß Abb. i). Die Anschlußstelle kann zu gewissen Störungen der Induktionswirkung führen, die sich in einer mangelhaften Erhitzung und daher in einer mangelhaften Einihiärbunig an ider entsprechenden Werkstück ,stelle auswirken können. Es ist daher zweckmäßig, die Stromzuführungen an dieser Stelle so zu überlappen oder zu verschränken, daß Störungen der Induktion vermieden werden.
  • In Abb. 3 und 4 ist schematisch eine praktische Ausführungsform des Erfindungsgedankens für das Oberflächenhärten von Platten oder ähnlichen langgestreckten Werkstücken dargestellt. Die Abb.3 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch Spule und Werkstück. Das Werkstück i, das an seiner Oberfläche ia erhitzt werden soll, bewegt sich durch die Heizspule 2-3 in Richtung des Pfeiles. Die Spule 2-3 setzt sich zusammen aus dem eigentlichen Heizleiter 2 mit den die Verbindung mit- der Stromquelle herstellenden Anschlußstücken 4 und den Leiterteilen 3. Die Spule 2-3 ist auf einem Trägerteil 13 starr gelagert.
  • Zur Herstellung des Stromanschlusses für die unmittelbare Stromleitung durch das Werkstück hindurch sind im Leiterteil 3 zwei Stromführungsrollen 6 vorgesehen, von denen im Schnitt (Abb.3) nur eine sichtbar ist. Das Werkstück i wird durch die Rollen 5 auf die Rollen 6 aufgepreßt, so daß zur Sicherstellung einer guten Stromführung an den Übergangsstellen ein Druck in Richtung der Pfeile 9 ausgeübt wird. Die Rollen 8 dienen zur Sicherung gegen Kippbewegungen.
  • Die Abb.4 zeigt eine besondere Ausbildungsform des Seitenteiles io der Spule 2-3 (Abt. 3). In das Seitenteil io ist eine nachgiebige Kupferlamelle i i eingeschaltet, umgewisse Bewegungen des Heizleiters 2 in Richtung des Pfeiles i2 zuzulassen. Auf diese Weise wird es möglich, auch bei Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche des Werkstückes i die gewählte Kopplung aufrechtzuerhalten.
  • Um den gewünschten Stromübergang an der Kontaktstelle zwischen Rollen 6 und Werkstück i sicherzustellen, ist es zweckmäßig, das Werkstück an diesen Stellen metallisch blank zu schleifen oder aber das Werkstück durch an sich bekanntes Aufspritzen od. dgl. mit einem Werkstoff guter Stromleitfähigkeit zu metallisieren. Es genügt das Aufbringen einer dünnen Schicht, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium.
  • Abb. 5 zeigt die Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung auf das Oberflächenhärten der Außenwandung eines Hohlzylinders i mit der Bohrung 2. Der Induktor 3 wird über die Stromzuführungen 4 von der Stromquelle 5 gespeist. Das Werkstück wird während der Behandlung um seine Achse gedreht, so daß nacheinander jedes Oberflächenteil in den Bereich des Induktors gelangt. Dabei ist das Werkstück zwischen Führungsrollen axial einzuspannen, wobei mindestens eine Führungsrolle zur Übertragung der Umlaufbewegung auf das Werkstück angetrieben ist.- Der Umlauf kann so langsam eingestellt werden, daß ein Abschrecken unmittelbar nach Aufheizen der betreffenden Zone auf Abschrecktemperatur erfolgt, oder aber es kann der Umlauf mit solcher Geschwindigkeit erfolgen, daß die gesamte Werkstückoberfläche in wiederholtem Umlauf auf die erforderliche Abschrecktemperatur gebracht und" erst dann abgeschreckt wird.
  • Gegenüber der aufzuheizenden Oberfläche ist der Induktor in an sich bekannter Weise mit dem eigentlichen Heizleiter 6 versehen, der verhältnismäßig geringen Querschnitt und enge Kopplung mit dem Werkstück aufweist, während die Leiterteile 7 verhältnismäßig großen Querschnitt und weite Kopplung zeigen. Die Stromzuführungen für den unmittelbaren Stromdurchgang durch das Werkstück sind bei 8 angedeutet. Der obere Teil der Spule ist abnehmbar, damit das Werkstück eingesetzt werden kann, und zu diesem Zweck sind entsprechendeKontaktstellen 9 vorgesehen. Die in einer Phase des Wechselstromes im Induktor fließenden Ströme sind durch die Pfeile io angedeutet. Die induzierten Ströme sind durch die gestrichelten Pfeile ii und 12, gekennzeichnet, während die direkten Ströme durch- die ausgezogenen Pfeile 13 und 14 gekennzeichnet sind.
  • Mit einer Vorrichtung gemäß Abb. 5 ist es möglich, die äußere Fläche eines Hohlzylinders zu erwärmen und zum Zweck des! Härteas: abzuschrecken. Sollen dagegen sowohl die Innen- als auch die Außenflächen eines solchen Hohlzylinders gehärtet werden, so ist eine Anordnung nach Abb. 6 zu wählen. Bei dieser Ausführungsform des Erfindungsgedankens wird die Zylinderwand des umlaufenden Werkstückes von einer Doppelspule in Achsrichtung zweimalig umfaßt, die an ihren Leiterteilen Stromzuführungen für den unmittelbaren Stromanschluß aufweist. An die Stromquelle 5 sind die Stromzuführungen q. für den Induktor 3 angeschlossen. Der Induktor 3 umfaßt zunächst in Achsrichtung die Wandung des Hohlzylinders i und führt mit seinen Leitern 6 in die Bohrung 2 hinein. In der Mittelebene werden die Leiter zur :gegenüberliegenden Wand der Bohrung 2 geführt, um sich von dort zu einem die Wandung in Achsrichtung umfassenden zweiten Spulenteil zu schließen. Der direkten Stromzuführung dienen die an den Leitern jeweils vorgesehenen Kontaktstücke 8 bzw. 9. Der obere Teil dieser Doppelspule ist, wie in Verbindung mit Abb: 5 geschildert; abnehmbar, damit das Werkstück in die Spule eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck sind entsprechende Kontaktstellen bei zo vorgesehen.-. -Die Lagerung des Werkstückes und der Umlauf wird in der gleichen Weise -sichergestellt, wie in Verbindung mit Abb. 5 :geschildert.
  • Der während einer Halbwelle des-Wechselstromes in der Doppelspule fließende Strom ist durch die Pfeile ii gekennzeichnet. Die infolgedessen in der Zylinderwandung induzierten Ströme sind durch die Pfeile 12 und 13 gekennzeichnet, während der direkte Stromdurchgang durch die Zylinderwandung durch die- Pfeile 16 und 17 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß in ,der linksseitigen Hälfte der Spule der Strom an der Außenseite des Zylinders verstärkt wird, während die Ströme an der Innenwandung sich schwächen. Im rechtsseitigen Teil dagegen verstärken sich die an der Innenwandung fließenden Ströme, während die außen fließenden. Ströme einander schwächen bzw. aufheben. Mit Hilfe dieser Doppelspule und der gleichzeitigen Zuleitung direkten Stromes zum Werkstück ist es daher möglich, unter Umlauf des Werkstückes in außerordentlich wirtschaftlicher Weise gleichzeitig sowohl die Innenwandung als auch die Außenwandung eines Hohlzylinders zu erhitzen und zu härten. Mit gleicher Wirtschaftlichkeit kann aber auch nur die Innenwandung erhitzt werden; wenn nämlich die Kontakte 9 bei sonst gleicher Einrichtung unterbrochen werden.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum fortschreitenden elektrischen Erhitzen von Gegenständen unter Verwendung unmittelbar zugeführter- und im Werkistriick induzienber Ströme ,zwm. Zweckdes Oberflächenhärtens durch nachfolgendes Abschrecken, dadurch gekennzeichnet, daß durch Nebenschlußschältung des Werkstückes zur Induktionsspule oder Parallelschalt@ug von Spulen und Werkstück zur Stromquelle die im Werkstück induzierten und diesem unmittelbar zugeführten Ströme .in d@eiv zu erhitzenden Werkstückschichten gleichsinnig verstärkt und in den nicht zu erhitzenden Wer(kstückacbichten: a°'eigeavsinnig :geschwächt werden. a. Induktionsspule, vorzugsweise in einer das Werkstück umschließenden Form zur Ausübung des Verfahrens nach .Anspruch i, gekennzeichnet durch zwei Kontaktstellen an Spulenleiterteilen, die eine elektrische Verbindung mit dem Werkstück derart herstellen, daß dieses im Teilnebenschluß zur Spule liegt. 3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Stromquelle in Parallelschaltung eine an sich bekannte Induktionsspule und ein dem Werkstück Strom unmittelbar zuführender Kontaktbügel angeschlossen sind. q.. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Ohmgche, kapazitive oder induktive Widerstände im Nebenschlußzweig, Parallelschältungszwei:g und/oder Spule zur Abstimmung der in Induktionsspule und Werkstück fließenden Ströme aneinander. 5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i an hohlzylindrischen Werkstücken, gekennzeichnet durch eine die Zylinderwand des umlaufenden Werkstückes in Achsrichtung zweimalig umfassende Doppelspule, deren Einzelteile gemäß Anspruch 2 ausgebildet sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zwischen Führungsrollen aus Isolierwerkstoff axial eingespannt ist, von denen mindestens eine zur Übertragung der Umlaufbewegung auf das Werkstück angetrieben ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stromzuführungen zur Spule: an dem Anschlußstellen überlappen oder miteinander verschränkt sind. B. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, däß die Werkstücke im Bereich der Stromübertragungsglieder, die den unmittelbaren Stromdurchgang durch das Werkstück sicherstellen, blank geschliffen oder mit Werkstoffen guter Leitfähigkeit metallisiert sind. Angezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 27977g; französische Patentschriften Nr.779434, 9r6362; USA.-Patentschriften Nr. 1981 63o, 1683 2o9.
DED1628D 1940-04-02 1940-04-02 Verfahren zum fortschreitenden elektrischen Erhitzen von Gegenstaenden und Vorrichtung zur Ausuebung des Verfahrens Expired DE870142C (de)

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