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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.
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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.
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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.
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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.
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. .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.
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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.
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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.
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Im nachfolgenden wird der Erfindungsgedanke an einigen schematisch
dargestellten. Ausführungsbeispielen für Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens
näher erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.