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Vorrichtung für das elektroinduktive Erhitzen metallischer Werkstücke
Für das elektroinduktive Erhitzen von Werkstücken haben sich zwei grundsätzliche
Formen für die Induktoren ,entwickelt, und zwar gleichgültig, ob im einzelnen Falle
ein durchgehendes Erwärmen des Werkstückes oder nur eine oberflächliche Einswirkung,
beispielsweise für das Härten, das Ziel der Behandlung ist. Die eine Eutwicklungssform
ist die das Werkstück umfassende Spule, die andere die der Leiterschleife, die sich
über der Werkstückoberfläche schließt. Auch bei der Behandlung zylindrischer Körper
oder ähnlicher Rotationskörper bzw. solcher, deren zu behandelnde Teile während
-des Umlaufs sich auf Kreisbahnen bewegen, ist die Anwendung dieser beiden Grundformen
möglich. Bei der Behandlung mit Spulen isst eine Relativbewegung zwischen Spule
und Werkstück im allgemeinen nicht nötig, weil die Spule so lang gemacht wird, wie
der betreffende zu behandelnde Werkstückabschnitt. Erst wenn der zu behandelnde
Werkstückabschnitt länger ist als die S.pulenbreite, muß eine Relativbewegung in
Achsrichtung erfolgen. Bei Leiterschlenfen,ist im allgemeinen eine Relativbewegungerforderlich,
die in einem Umlauf des Werkstückes um die Achse besteht, wenn es sich um Rotationskörper
handelt. Im letztgenannten Fall werden nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag
Heizleiterschleifen benutzt, die im Kopplungsabstand an die Werkstückoberfläche
angedrückt werden, während das Werkstück selbst mehrmals
umläuft.
Die Breite des Heizgerätes entspricht im allgemeinen der Breite des aufzuheizenden
Werkstückabschnittes.
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Eine das Werkstück umfassende Spule hat den. Vorzug, daß sie mit einem
außerordentlich günstigen elektrischen Wirkungsgrad: arbeitet. Dies erklärt sich
aus einer nur in geringem Maße auftretenden Streuung und daher damit, daß der größte
Teil der magnetischen Kraftlinien zur Leistungsübertragung auf die Werkstückoberfläche
ausgenutzt wird. Gewisse Nachteile ergeben sich daraus, daß die Verteilung der induzierten
Heizströme im Werkstück nicht ohne weiteres beliebig beeinfluß,bar ist. Die Ströme
haben an sich die Neigung, in Ebenen zu fließen, die gleich weit von den Enden ,der
Spule entfernt sind. Beim Aufheizen von Kurbelwellenzapfen ergeben sich daher beispielsweise
Schwierigkeiten, eine hinreichende Heizwirkung auch in der Nähe der Hohlkehlen zu
erzielen. Um dieses Zusammendrängen der Ströme in der Nähe der Spulenmitte zu vermeiden
und eine gleichmäßigere Verteilung zu erreichen, sind zusätzliche, verhältnismäßig
verwickelte Mittel erforderlich, die indes nicht im vollem Maße zum gewünschten
Erfolg führen. Des weiteren ergeben sich mit Spulen, die das. Werkstück umfassen,
auch insofern Schwierigkeiten, als vielfach die Spule teilbar ,gemacht werden muß,
um auch auf solche Werkstücke aufgeschoben werden zu können, die sperrige Formen
besitzen, wie beispielsweise Kurbelwellen mit ihren Kurbelwangen, deren Zapfen wärmebehandelt
werden sollen. Die breite Kontaktfläche an der Trennstelle in der Spule ist dem
Verschleiß stark unterworfen und läßt im Laufe der Zeit ungleiche Kontaktwirkungen
entstehen.
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Mit einer Heizleiterschleife, die im Kopplungsabstand an das in Umlauf
versetzte Werkstück angedrückt wird,' läßt sich .die,gewünschteTemperaturverteilung
ohne Schwierigkeiten erreichen, indem der Leiterschleife bzw. dem von der Leiterschleife
umschriebenen Raum jeweils eine bestimmte Form gegeben wird, ohne daß sich hieraus
irgendwelche elektrischen oder konstruktiven Schwierigkeiten ergeben. Ein weiterer
Vorteil ist darin zu sehen, .daß auch Werkstücke mit sperrigen Formen behandelt
werden können, ohne daß der Induktor teilbar sein muß. Es entfallen daher in diesem
Fall elektrische Kontaktstellen im Gerät selbst. Selbst bei großen Werkstücken ist
die vom Gerät Überdeckte Fläche verhältnismäßig klein, und es ist daher mit einer
geringeren installierten Leistung, allerdings bei verlängerter Aufheizzeit, auszukommen
als bei einer Spule. Die Verlängerung der Aufheizzeit spielt indes gegenüber den
genannten Vorteilen eine nur untergeordnete Rolle. Dagegen hat ein derartiges Gerät
nicht in allen Fällen einen besonders hohen elektrischen Wirkungsgrad, namentlich
dann nicht, wenn es mit vergleichsweise niedrigen Frequenzen betrieben wird. Es
bildet sich ein Streufeld aus, das seinem Wesen nach an der Leistungsübertragung
auf das Werkstück nicht teilnimmt, und infolgedessen nimmt der Gesamtwirkungsgrad
der Einrichtung ab. Das Ziel der vorliegenden Anmeldung besteht darin, die Vorteile
der beiden Grundformen eines Induktors für das Aufheizen von zylindrischen Werkstücken
oder Werkstücken in Form ähnlicher Rotationskörper b@zw. solcher Werkstücke, deren
zu behandelnde Abschnitte während des Aufheizens Kreisbahnen beschreiben, miteinander
zu vereinigen und dabei ihre Nachteile auszuschalten. Erfindungsgemäß wird die elektroinduktive
Erhitzungsvorrichtung als Heizkopf ausgebildet, der das Werkstück umfaßt. Der Heizkopf
ist mit einem schmaler als die axiale Länge des zu behandelnden Werkstückabschnittes
ausgebildeten, in sich bis auf seine Anschlußstellen geschlossenen Heizleiter versehen.
Der Verlauf des Heizleiters entspricht dabei der Schnittkurve des Zylinders mit
einer durch den Massenmittelpunkt schräg zur Achse gelegten Ebene oder jedenfalls
angenähert ,der so entstehenden Kurvenform. Die Kurve reicht vom einen bis zum anderen
Zylinderende. Während der Behandlung mit einem Induktor dieser Form läuft das Werkstück
um seine Achse um. Soll gelegentlich ein Werkstück behandelt werden; dessen zu behandelnde
Abschnitte länger sind, als der Breite .des Heizkopfes entspricht, so kann das Werkstück
außerdem noch einen axialen Vorschub erhalten. Die Vorrichtung kann gleichermaßen
zum vollkommenen Aufheizen von Werkstücken als auch zum Oberflächenerhitzer, beispielsweise
zum Zwecke des Oberflächenhärtens, benutzt werden.
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Der Wirkungsgrad der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist besonders
günstig, da der Heizleiter die Masse des Werkstückes bzw. des zu behan@ delnden
Werkstückabschnittes umfaßt und somit die Gesamtzahl der magnetischen Kraftlinien
für die Leistungsübertragung auf -die Werkstückoberfläche verwendet wird. Eine wesentliche
Verr4ngerung des Wirkungsgrades kann auch wegen der nur geringen Streuung nicht
eintreten.
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Erfindungsgemäß kann der Heizleiterkurven@zug in sich eckig oder gekrümmt
verlegt werden, was die Möglichkeit bietet, die Aufheizwirkung in. Abhängigkeit
von der Achsrichtung zu steuern. So kann beispielsweise erreicht werden, daß die
Aufbeizwirkung in der Nähe der Heizkopfenden stärker ist als in der Mitte; denn
je nachdem, wie groß .die Einwirkungszeiten der einzelnen Heizleiterabschnitte auf
die einzelnen ihnen zugeordneten Werkstückabschnitte sind, werden auch die Temperaturerhöhungen
verschieden sein. Eine derartige Einflußnahme ist gen den bekannten, das Werkstück
umfassenden Induktoren nicht möglich. Die Beeinflussung der Aufheizwirkung kann:
nach der Erfindung auch noch dadurch unterstützt werden, daß der Heizleiter im Verlaufe
seines Kurvenzuges mit wechselnder Breite ausgestattet wird.
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Um bei. Werkstücken mit teilweise sperrigen Formen, wie beispiiels,weise
Kurbelwellen mit ihren Kurbelarmen, den Heizkopf an die gewünschte Stelle bringen
zu können, muß dieser, wie dies bereits für umfassende Spulen bekannt ist, tenl.bar
sein, Die Kontaktstellen im Gerät sind aber-verhältnismäßig klein, und es läßt sich
infolgedessen
selbst bei langer Benutzung des Gerätes stets der
erforderliche Kontakt sicherstellen. Auch übt diese Kontaktstelle infolge ihrer
geringeren Breitenerstreckungkeinen Einfiuß auf den Aufheizvorgang aus, ganz im
Gegensatz zu den breiten.. Kontaktstellen bei den bekannten umfassenden Spulen.
f;Tber die Möglichkeit der Beeinflussung der Temperaturverteilung in Achsrichtung
hat der Heizkopf gemäß der Erfindung mit der Heizleiterschleife noch den Vorzug
gemein, daß eine visuelle Beobachtung der Werkstückoberfläehe während des Auf -li"izens
möglich ist. Erfindungsgemäß wird hierzu ,ein Schlitz in Achsrichtung im Heizkopf
vorgesehen. Dieser Schlitz gestattet praktisch die Beobachtung der ganzen Länge
des zu .behandelnden Werkstückabschnittes, und das Blickfeld ist nur an einer Stelle
durch den hindurchlaufenden schmalen Heizleiter unterbrochen.
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Wenn der Heizkopf gemäß der Erfindung dem Oberflächenhärten dienen
soll, wobei es erforderlich ist, nach erzielter Härtetemperatur an der Oberfläche
das Werkstück abzuschrecken, wird gemäß der Erfindung das ein- oder mehrteilige
Traggerüst des Heizkopfes, das aus Isolierwerkstoff hergestellt wird, gleichzeitig
als Spritzbrause ausgebildet.
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Die Erfindung wird im nachfolgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Abb. i stellt einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform
des Gerätes gemäß der Erfindung dar. Das Heizgerät soll dem Aufheizen und Abschrecken
eines Kurbelwellenzapfens i dienen, der von Kurbelwellenarmen 2 begrenzt ist. Der
Zapfen i wird von dem Härtelzopf 3 umfaßt. In .diesem Härtekopf 3 ist der Heizleiter
.4 eingebaut. Der Verlauf des Heizleiters, dessen Breite in Achsrichtung bedeutend
geringer ist als die Breite des zu behandelnden Werkstückabschnittes, entspricht
der Schnittkurve des Härtekopfzyl!inders mit einer Ebene, die schräg zur Achse durch
den Massenmittelpunkt gelegt ist. In. der Abb. i ist der Heizleiter q. als vierkantförmiger
Körper mit einem Hohlraum 5 zwecks Kühlung dargestellt. Der Heizleiter kann selbstverständlich
auch andere Formen aufweisen. Der Heizleiter q. wird getragen von einem Gerüst 6
aus Isolierwerkstoff. Das Gerüst ist mit einem Hohlraum 7 versehen, der durch einen
Deckel 9 geschlossen ist. Dem Hohlraum wird durch den Stutzen io Abschreckflüssigkeit
zageführt, die nach beendetem Aufheizen durch die Schlitze oder Löcher 8 auf die
Werkstückfläche austreten kann. Die Abstandhalter 12 sorgen dafür, daß der Kopplungsabstand
zwischen dem Heizleiter 4. und der Werkstückoberfläche jederzeit gewahrt wird.
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Da das Härtegerät auf den zu behandelnden Werkstückabschnitten der
Kurbelwangen :2 wegen nicht ohne weiteres aufgeschoben: werden kann, muß es teilbar
ausgebildet werden. Die Teilungsfuge ist bei 1q. angedeutet. Im Zuge des Heizleiters
4. ist unmittelbar über der Teilungsfuge die Speisungsstelle 13 angeordnet.
In bezug auf die Ges,amtbreite des Heizgerätes und damit diie Breite des zu behandelnden
Werkstückabschnittes nehmen diese beiden kritischen Stellen jeder Induktionsspule
einen nur kleinen Abschnitt ein. Ihre störende Einwirkung auf den Heizvorgang ;ist
daher auf ein Mindestmaß beschränkt. Rein mechanisch lassen sich Kontaktschwierigkeiten
u. dgl. an diesen Stellen ohne weiteres beherrschen.
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Zur Beobachtung der aufzuheizenden Oberfläche ist ein Schlitz ii dm
Härtekopf vorgesehen. Dieser Schlitzgestattet praktisch .die Beobachtung,der gesamten
Breite des zu behandelnden Werkstückabschnittes. Das Blickfeld wird lediglich an
der Stelle unterbrochen, an ,der der Heizleiter q. den Schlitz i i kreuzt. Im gewählten
Beispiel ist diese Kreuzstelle in die Mitte der Behandlungsbreite gelegt. Es kann
natürlich auch jede andere Lage der Kreuzstelle vorgesehen werden. Da aber gerade
die Beobachtung der Heizwirkung in den Kanten besonders wertvoll isst, wird eine
Mittellage der Kreuzungsstelle vorzuziehen sein.
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Indem man den Hedzleiterkurvenzug in sich eckig oder gekrümmt verlegt,
ist es gemäß der Erfindung möglich, die Aufheizwirkung in Achsrich= tung nach Wunsch
zu beeinflussen. In Abb. 2 sind in Abwicklung des, Heizleiters in die Ebene Beispiele
für die Gestaltung des Leiters schematisch dargestellt.
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Abb. 2,c stellt :die Abwicklung eines Heizleiters gemäß Abb. i dar.
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Nach Abb. 2b würde ein besonders starkes Aufheizen der Randteile des
Werkstückabschnittes erzielt, weil die Randteile des Werkstückes während des Umlaufes
jeweils längere Zeit hindurch unter der Einwirkung von Heizleiterabschnitten stehen.
Dagegen wäre nach Abb. 2 c die Verteilung der Aufhei.zwirkung über den gesamten
Behandlungsabschnitt eine gleichmäßige.
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Die Abb. 2 d zeigt eine Art der Anordnung des Heizleiters q., die
möglich ist, wenn die Heizwirkung in die Mitte des Behandlungsabschnittes stärker
konzentriert sein soll. Welcher der Kurvenzüge.im Einzelfall zu wählen ist, ergibt
sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebsverhältnisse durch einige Stichversuche,
wobei die Wirkung der Kurvenform ergänzt werden kann durch unterschiedliche Bemessung
der Leiterbreite.
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Heizgeräte gemäß der Erfindung sind anwendbar auf die Behandlung von
zylindrischen Körpern und Rotationskörpern, wie beispielsweise alle Formen von Wellen,
ferner auf solche Körper, bei denen sich der zu behandelnde Werkstückabschnitt während
seines Umlaufes auf einer Kreisbahn bewegt. So ist es beispielsweise möglich, einen
Nocken aufzuheizen, wenn man dafür sorgt, .daß die zu behandelnde Nockenfläche sich
während des Umlaufes auf einem Kreis bewegt. Sofern die zu behandelnden Werkstückabschnitte
eine größere Breite haben als der verwendete Heizkopf, so kann die Behandlung dieser
Werkstücke dadurch ermöglicht werden, daß außer dem unbedingt erforderlichen Umlauf
noch ein Vorschub in Achsrichtung erteilt wird.
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In :der Zeichnung wurde die Erfindung an Hand eines Beispiels aus
der Härtetechnik beschrieben.
Die Erfindung i.st jedoch keineswegs
hierauf beschränkt. Sie kann sowohl zur sonsitsgen Wärmebehandlung von Metallteilen,
wie beispielsweise zum Entspannen, Anlassen, Tempern, Doüblieren, Sintern usw.,
mit Erfolg verwendet werden. Auch in der Herstellung von Gleitlagern, insbesondere
solchen mit Stahlstützring, ist die Erfindnung mit Erfolg anwendbar, da auch hierfür
die Vorteile des Heizgerätes ,gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Heizgeräten
besonders augenfällig sind.