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Vorrichtung zum induktiven Wärmebehandeln metallischer Werkstücke
Für das elektroinduktive Wärm@ebehandeln metallischer Werkstücke haben sich zwei:
Vorrichtunigsarten @entwickelt. Entweder wird das Werkstück in das Magnetfeld eines
Induktors gebracht, wobei dieser Induktor dme Form einer Spule oder auch die Form
einer sich über der Werkstückoberfläche schließenden Leiterschleife ,annehmen kann,
oder das Werkstück wird als Rückschluß in einen Magnetkreis eingeschaltet, wobei,
dieser Magnetkreis aus einem geschichteten, transformatorähnlidhen Kern besteht,
der mit einer Erregerwleklung versehen ist. Bekanntlich wird beim induktiven Erhitzen
sowohl mit Netzfrequenz (I62/3 bis 6o Hz), Mittelfrequenz (ioo bis 20 ooo Hz) als
auch Hochfrequenz (20 ooo bis 2 ooo ooo Hz) ;gearbeitet. Welche Frequenz zu wählen
ist, richtet sich in erster Linie nach dem gewünschten Temperaturverlauf, der im
Werkstück erzeugt werden soll und nach .den Abmessungen und :dem Werkstocff des
Werkstückes. Wenn zum Zweck des Oberflächenhärtens ferrom!aignetIscher Werkstücke
nur dünne Schichten des Werkstückes von der Erwärmung erfaßt werden sollen, wird
im allgemeinen Ivhttel-oder Hochfrequenz, wenn dagegen das Werkstück tiefer eingehärtet
oder durchgehend erwärmt werden soll, wie dies für das Anlassen, Glühen, Entspiannen
@od. dgl. erforderlich ist, wird im allgemeinen Mittel-oder Netzfrequenz vorzuziehen
sein. Für die Behandlung von metallischen Werkstücken aus urmagnetischem Werkstoff
werden für die gleichen Erwärmungsaufgaben entsprechend höhere Frequenzen verwendet.
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Mittel- und Hochfrequenz sind im allgemeinen in Verbindung ;mit Induktoren
verwendet worden;
während Vorrichtungen, bei denen das Werkstück
als Rückschluß eines tisengekoppielten Erregerkreises geschaltet ist, im allgemeinen
mit niederen Werten der Mittel- und mit Netzfrequenz betrieben werden. Die letztgenannten
Vorrichtungen haben aber Nachteile insofern, :als im allgemeinen die magnetische
Durchlässigkeit des Werkstoffes mit zunehmender Temperatur abnimmt. Nach überschreiten
des magnetischen Umwandlungsp@unktes, beispielsweise bei Stähl, ninmt die Permeabilität
den Wert i an und die Anordnung wirkt wie eine Drosselspule mit sehr großem Luftspalt.
Die Folge hiervon ist, daß der wärmetechnische Wirkungsgnad und der Leistungsfaktor
während des Aufheizvorgangs ,äußerst gering ist. Um die Erhitzung in der gewünschten
Weise durchzuführen, müssen -erhebliche Energiewerte bereitgestellt werden und außerdem
ist es erforderlich, Kondensatoren in erheblichem Umfang vorzusehen, die der Kompensation
der Bliindströme dienen. Trotz dieser Behelfe ist es in den meisten Fällen nicht
möglich, bei urmagnetischen Werkstücken ausreichende Temperaturerhöhungen zu erzielen
bzw. bei Stahl Temperaturen zu erzeugen, die wesentlich über der Temperatur der
magnetischen Umwandlung liegen. Als weiterer Nachteil ergibt sich bei solchen Vorrichtungen
eine stark magnetische Kraftkomplonente, die namentlich bei Netzfrequenzen zu unangenehmen
und störenden mechanischen Schwingungserscheinungen an den zu behandelnden Werkstücken
führt.
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Induktoren in Spulen- oder Schleifenform, .die in unmittelbarer Kopplung
zum zu erhitzenden Werkstück- selbst liegen, haben -den Nachteil, idaß sie mit niederer
Mittelfrequenz und Netzfrequenz nur schwer betrieben werden können, insbesondere
dann, wenn nur eine Erhitzung an ider Oberfläche gewünscht wird, wie dies beispielsweise
für das Oberflächenhärten erforderlich ist ioder wenn. die Querschnitte der. zu
behandelnden Werkstücke gering sind.
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Zweck der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die in hohem
Maße von der arizuwenidenden Frequenz und von der Formgebung der zu behandelnden
Werkstücke unabhängig ist und inallen Fällen sowohl mit einem guten elektrischen
als auch wärmetechnischen Wirkungsgrad arbeitet. Die Vorrichturig -soll ferner eine
wirtschaftliche induktive Wärmebehandlung nichtmagnetischer, metallischer Werkstücke
sowie ferromagnetischer Körper ermöglichen, auch wenn die Erwärmung über den magnetischen
Umwandlungspunkt gesteigert wird. Sie @ermöglicht weiter eine Anwendung von Netz-
oder Mittelfrequenzen für Werkstücke mit geringen Querschnitten -oder Wandstärken,
für die bisher zur Erzielung eines ausreichenden Wärmewirkungsgrades H@ochfnequenzströme
benutzt wurden.
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Gemäß der Erfindung wird zu diesem Zweck eine Vorrichtung zum Erwärmen
metallischer Werkstücke vorgesehen, die aus einen magnetischen eisengekoppelten
Erregerkreis und einem in unmittelbarer .Nähe des Werkstückes angeordneten Induktor
in Form eigner Spule oder Leiterschleife besteht. Das Werkstück bildet hierbei den
Rückschluß für den eisengekoppelten Erregerkreis. Induktor und Erregerkreis sind
derart geschaltet, daß die entstehenden Felder. gleichzeitig ;auf das Werkstück
einwirken-Im nachfolgenden wird an Hand der Abbildungen die Verkörperungen des Erfindungsgedankens
schematisch darstellen, die Erfindung näher erläutert.
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Nach Abb. i soll das Vierkantwerkstück i beispielsweise aus Stahl
oder Eisen durchgehend auf eine Temperatur von etwa goö°erwärmt werden, wie dies
beispielsweise für ein Ausglühen notwendig wäre. Zu diesem Zweck wird gemäß der
Erfindung der Induktor 2 üi Form einer mehrwindigen Spule mit den Anschlüssen 2'
und 2" um das Werkstück herumgelegt. Das Werkstück bildet außerdem den magnetischen
Rückschlüß für das Magnetfeld, das von: der Erregerspule ¢ mit den Anschlüssen ,und
4" in dem lamellierten Eisenkern 3 .erzeugt; wird. Auf diese Weise -unterliegt das
Werkstück der Einwirkung.zweler Magnetfelder, die senkrecht zueinander stehen. Der
Induktor und die Erregerspule des Magnetkreises können in Reihe oder parallel geschaltet
werden, wobei der Reihenschaltung der Vorzug zugeben ist..
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Sowohl das Magnetfeld, das vom Induktor als auch dasjenige,- das vom
Erregerkreis gebildet wird; beteiligen sich an der Aufhei2wirkung und unter Annähme
der - Reihenschaltung spielen sich folgende Vorgänge ab: Infolge der Zunahme der
Temperatur und der damit verbundenen Abnahme der Permeabilit,ät im Werkstück wird
die Aufnähme des Scheinstromes in der Spule q. größer und bei üb.erschreitung der
Temperatur, bei der das Werkstück urmagnetisch wird, ergibt sich eine erhebliche
Scheinleistungs:aufnahme. Der Scheinstrom - durchfließt gleichzeitig den Induktor
2 und übt infolge seiner Größe .eine gesteigerte Heizwirkung aus, so daß die gewünschte
Temperatur mühelos- erreicht wird- Die Anordnung gemäß der Erfindung macht es dabei
möglich, mit einem Mindestmaß en -Kondensatorenoderähnlichen Einrichtungen auszukommen,
da trotz der Abnahme der Werkstückpermeabilität infolge der Anordnung der Erreger-bzw.
Induktorwicklung ein günstiger Leistungsfaktor verhalten bleibt.
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Abb. 2 zeigt eine der Abb. L :entsprechende Vorrichtung in Aufsicht,
die geeignet- ist für das Aufheizen .eines zylinderförmigen Körpers ii. Der spul@enförmige
Induktor umschließt: das Werkstück, und die Öffnung des lamellierten Kernes des
Erregerkreises ist ebenfalls der Form des Werkstückes angepaßt_ Die auf dem Kern
angeordnete Erregerwicklung ist: in der Darstellung nicht-sichtbar,.
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Die Spule 12 ist in an sich bekannter Weise mit Hilfsrnagnetj-ochen
i 5 versehen, um das durch den Induktor 12 erzeugte Feld zu konzentrieren.
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Die Windungen des sp!ulenförmigen Induktors 12 sind, wie ;aus .Abb.3
(Sehnitt.A-B der Abb.ä) ersichtlich, in Nuten der Stirnflächen des lamellierten,
Kernes 13 verlegt;-
Nach Abb. 4 soll ein zylinderförmiges Werkstück
21 einer Entspannungsbehandlung unterworfen werden. Zu. diesem Zweck -ist zunächst
ein. spulenfdrmiger - Induktor 22 mit seinen Anschlüssen 22' und 22" vorgesehen.
Der Magnetkern für den Erregerkreis besteht .aus einem Rng-2.j; der mit polschuharti:gen
- Ansätzen versehen ist: Dieser Kern ist parallel zur Zeichenebene geschichtet.
Auf. dem Ring 23 sind Erregerwicklungen 24 in einer Anzahl vorgesehen, die der Anzahl
der- -polschuhartigen Ansätze entspricht. Diese ErregerWicklungen sind derart in
Reihe oder parallel gescdältet, daß sich ein Magnetschluß in Richtung der Pfeile
25 ergibt. Eine derartige Anordnung ist nicht beschränkt :auf die Verwendung von
vier polschuhartigen Ansätzen. Es können vielmehr auch weniger oder mehr sein, vorausgesetzt,
daß stets so vieleErregerspulen angeordnet werden, wie polschuhartge Ansätze vorhanden
sind.
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In Abb. 5 ist eine ähnliche Anordnung getroffen wie in Abb. i, jedoch
ist der spulenförm!ige Induktor 32 gegenüber der Anordnung nach Abb. i um 9o° versetzt.
Der im Kern 33 durch die Erreger-Wicklung 34 erzeugte Magnetfluß in einer bestimmten
Phase ist durch die Pfeile 34' gekennzeichnet. Der Magnetfluß, der durch die Spule
erzeugt wird, ist durch den Pfeil 32' gekennzeichnet. Die baden Magnetfelder sind
daher in jeder Phase des Wechselstromes gleichgerichtet. Diese Anordnung ist besonders
zweckmäßig, wenn es sich darum hanldelt, eine starke Oberflächenwirkung zu erzielen,
da die gleichgerichteten Magnetfelder eine gesteigerte Zu-
sammenballung der
Ströme in der Werkstückoberfläche ergeben.
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Sofern der Eisenrückschluß des Erregerkreises mit polschuhartiagen
Ansätzen versehen wird, kann auch eine Anordnung nach Abb. 6 gewählt werden. Das
Werkstück 41 selbst liegt von seinem Induktor 42 umgeben in einer Öffnung des Kernes.
Seinem Stirnende gegenüber ist der polschuhartige Ansatz des Kernes 43 vorgesehen,
sauf dem die Erregerwicklung 44 angebracht ist. Hierdurch wird ein Magnetfluß .erzeugt,
der vornehmlich in Achsrichtung des Werkstückes verläuft. Im mittleren Werkstück,
biet tritt jedoch ein Teil der Kraftlinien, bereits aus dem Werkstück aus. Hierdurch
kann eine besonders einfache Beeinflussung der Wärmieverteilung herbeigeführt werden,
namentlich wenn durch Anzapfungen am Induktor und/oder an der Erregerspule das gegenseitige
Ampere-Windungsverhältnis feinstufig geändert wird.
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Gleichgültig, ob das Werkstück in eine Öffnung des lamellierten Kernes
des Erregerkreises eingelegt oder in -den Wirkbereich von polse'huhartigen Ansätzen
des Erregerkreises gebracht wird, ist es zweckmäßig, die dem Werkstück benachbarten
Flächen des Kernes der Form des Werkstückes anzupassen, wobei zusätzlich durch unterschiedliche
Ausbildung des Luftspaltes eine Beeinflussung der Temperaturverläufe möglich ist.
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Abb. 7 zeigt in schematischer Darstellung, wie die Vorrichtung für
die Zwecke des Wärmebehandelns von schneidenartigen Werkzeugen, wie Beilen, Äx2,en;.
Messern, Sägen öd, dgl., ausgebildet ist: Dias Werkstück 51 ist in diesem Fall magnetischer
Rückschluß des Eisenkernes 53 des von der Spule 54 erregten - Magnetkreises. Die
Stirnflächen der öffnun;g, in der das Werkstück geogesetzt wird, s.'nd der Szhnie'idenform
angepaßt und in den Stirnflächen sind Nuten vorgesehen, die die Heizleiter 52 des
Indiuktors tragen. An sich ist ,es Blechgültig, ob eine Leiterschleife oder Spule-
verwendet wird: Im vorliegenden Fall ist eine Heizleiterschleife- angenommen, und
die Stromspeisung Ist -durch Pü;nkte und Pfeile 52' und 52" angegeben.
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Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind sowohl ;geeignet für die
Wärmebehandlung im Stillstandverfa.hren ,als auch im Vorschubverfahren. Ob im Einzelfall
;gleichzeitig mit der Behandlung eine Bewegung des Werkstückes um seine Achse zu
erfolgen hat, wird, wie dies laus der Technik des Induktions,erhitzens ,an sich
bekannt ist, von Fall zu Fall zu entscheiden sein. Die Vorrichtungen sind ,geeignet
für das durchgehende Erhitzen der Werkstücke zum Zweck des Glühens, Entspannens,
Sinterns, Härte ns, Normialislerens, der Hierstelliunig von Verbundgußllagern, des
Schmiedens, Walzens, Pressens, Stauch:ens und für ein Erhitzen, das nur, die Oberfläche
oder einen Teil des Werkstückes erfassen soll, wie dies beispielsweise beirr Oberflächenhärten
oder bei der partiellen Härtung erford@erlich ist. Hilfseinrichtungen, wie sie bei
der Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken erforderlich werden, insbesondere
Aufnahmevorrichtungen, Abschreck- und Kühleinrichtungen, sind weder dargestellt
noch beschrieben. Ihre Anordnung und Verwendung ist an sich, bekannt.