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Füllstück für die Zwecke des induktiven Erhitzens Die Erfindung betrifft
ein Füllstück, das beim induktiven Erhitzen von Werkstücken aus ferromagnetischem
Werkstoff, insbesondere aus Stahl, in Hohlräume, wie Bohrungen, Aussparungen od.
dgl., eingesetzt werden soll. Bekanntlich beruht das induktive Erhitzen .darauf,
daß in dem Werkstück Ströme induziert werden. Um ein gleichmäßiges Erhitzen und
damit bei nachfolgendem Abschrecken eine gleichmäßige Verteilung der Härte zu gewährleisten,
ist es erforderlich, daß auch die induzierten Ströme gleichmäßig an der Oberfläche
des Werkstückes verteilt fließen. Während dies ohne weiteres bei einem Werkstück
mit nicht unterbrochener Oberfläche gelingt, entstehen Schwierigkeiten, wenn das
Werkstück mit Bohrungen, Aussparungen, Einfräsungen od. dgl. versehen ist. Diese
Hohlräume geben Veranlassung dazu, daß die induzierten Stromfäden, aus ihrer Richtung
abgelenkt, um die Hohlräume herumfließen, was an den Rändern zu ungleichmäßigen
Konzentrationen Veranlassung gibt. Diese ungleichmäßige Verteilung in der Nähe der
Ränder hat zur Folge, daß einesteils eine Überhitzung und damit Überhärtung stattfindet
und anderenteils zu geringe Erwärmung auftritt, so daß an diesen Stellen bei nachfolgender
Härtung eine zu geringe oder gar keine Einhärtung erfolgt.
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Diese Ungleichmäßigkeiten in,der Verteilung der üiiduzierten Ströme
im Werkstück in der Nähe von Hohlräumen können durch das Einsetzen von Füllstücken
in
diese Hohlräume beeinflußt werden. Es ist daher auch bereits vorgeschlagen worden,
solche Hohlräume während des induktiven Erhitzens mit einem Pfropfen oder Füllstück.
zu- verschließen, und zwar sollte das Füllstück nach diesem Vorschlag aus einem
magnetischen, stromleitenden Werkstoff bestehen, wobei insbesondere die Eigenschaften
der 'Magnetisierbarkeit und der Stromleitfähigkeit etwa die gleichen sein sollten
wie die des zu behandelnden Werkstückes. Auf diese Weise wird erreicht, daß die
Erhitzung gleichmäßig bis zti den Rändern des Hohlraumes verläuft und somit auch
eine gleichmäßige Einhärtung bis an den Rand erzielt wird. In vielen Fällen ist
aber eine solche gleichmäßige Einhärtung bis an den Rand unerwünscht. Erwünscht
ist vielmehr, daß die Erhitzung und infolgedessen die durch das Abschrecken erzielte
Einhärtung in einem gleichmäßigen Abstand rings um den Hohlraum herum aufhört, so
daß um den Hohlraum herum eine nicht gehärtete Zone entsteht oder jedenfalls eine
Zone geringerer Härte. Der Grund, der eine solche Ausbildung der Härteschicht in
der Nähe der Hohlraumkantenwünschenswert erscheinen läßt, ist der, claß die Bohrungen,
Aussparungen, Einfräsungen od. dgl. nach dem Härten des Gesamtwerkstückes noch einer
Nachbearbeitung bedürfen, und außerdem gibt selbst eine gleichmäßige; bis an die
Hohlraumränder reichende Härtung vielfach Veranlassung zu Unregelmäßigkeiten im
späteren Gehrauch des Werkstückes, wie Risse od. dgl. Dies gilt nicht nur für öllöcher
und Keilnuten, wie sie in Wellenzapfen vorhanden sind, sondern auch für viele andere
Werkstücke.
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Eine solche nichtgehärtete Zone oder eine Zone geringerer Härte in
der Nähe von derartigen Hohlräumen ließe sich auch mit Spulen besonderer Art erreichen,
und zwar indem in der Nähe der Aussparungen die Kopplung um ein bestimmtes einstellbares-Maß
-geändert würde. Es ist ohne -weiteres ersichtlich, daß insbesondere bei der Massenanfertigung
solche Maßnahmen verhältnismäßig zeitraubend und umständlich -wären.
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Gemäß -der Erfindung wird- zum angegebenen Zweck die Verwendung
eines Füllstückes vorgeschlagen, das während des Erhitzens in die I-Iohlräume eingesetzt
ist, wobei jedoch das Füllstück im Gegensatz zum bisher Bekannten aus einem ganz
oder teilweise nicht ferromagnetischen Werkstoff besteht, der gute elektrische Leitfähigkeit
und zweckmäßigerweise auch gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie dies beispielsweise
bei den Metallen Aluminium und Kupfer der Fall ist. Es kann selbstverständlich an
Stelle von Kupfer oder Aluminium auch ein anderes Metall verwendet werden, das die
oben gekennzeichneten Eigenschaften aufweist. Das Füllstück gemäß der Erfindung
kann ferner aus einer Masse von mehr oder -weniger fein zerkleinerten, nicht ferromagnetischen
Metallen bestehen, die in an sich bekannter Weise durch ein nichtmetallisches Bindemittel;
wie Schellack, Ton, Kunstharzpreßstoff, Asbest od. dgl., gebunden ist. Ferner ist
es möglich, das Füllstück gemäß der Erfindung schichtweise aus mehreren Werkstoffen
zusammenzusetzen, die verschiedene elektrische Leitfähigkeit und/oder verschieden
große Magnetisierbarkeit aufweisen.
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Durch Verwendung derartiger Füllstücke gelingt es, in der Umgebung
der betreffenden Hohlräume Zonen gewünschter Größe hervorzurufen, die nicht oder
in nicht nennenswertem Maße erwärmt werden und damit im wesentlichen ungehärtet
bleiben.
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Ausführungsformen der Erfindung zeigen die Ausführungsbeispiele, die
unter Hinweis auf die Zeichnungen im nachfolgenden beschrieben werden. Zum Verständnis
der Erfindung sei zunächst kurz. erläutert, welche Folgen dann eintreten, -wenn
ein Werkstück mit einem Hohlraum, beispielsweise einer Bohrung, induktiv erhitzt
wird, ohne daß die Maßnahmen gemäß der Erfindung angewendet werden. _ Abb. r ist
eine Aufsicht eines Werkstückteiles mit einer Bohrung; Abb. 2 und 3 sind senkrecht
aufeinanderstehende Schnitte durch die Bohrung.
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Das Werkstück r soll in Richtung des Pfeiles d. kontinuierlich bewegt
und durch eine Induktionsspule erhitzt werden, die der .Einfachheit halber bei 9
durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich,
daß die bei 5 angedeuteten induzierten Stromfäden um die Bohrung herum ausbiegen,
was zu Konzentrationen der Stromlinien bei 6 und 7 Veranlassung gibt, -nährend an
den hei 8 angedeuteten Stellen Stromlinien nicht oder in nicht nennenswertem Maße
auftreten. Wie auch aus Abb.2 ersichtlich, hat die Konzentration an den Punkten
6 und 7 nicht nur eine überhitzung der Randteile zur Folge, sondern auch eine tiefere
'Einhärtung, während, wie die Abb. 3 zeigt, bei 8 die Härtung. in einem mehr oder
minder großen Abstand von der Bohrung überhaupt aufhört. Diese Verhältnisse, die
dann gegeben sind, -wenn die Bohrung 2 entweder unverschlossen ist oder mit einem
isolierenden Werkstoff, -wie beispielsweise Holz, Asbest oder Ton, ausgefüllt ist,
werden sofort geändert, wenn in die Bohrung ein Füllstück aus ferromagnetischem
Werkstoff eingesetzt -wird. Insbesondere dann; wenn gemäß dein früher Vorgeschlagenen
das Füllstück aus einem Werkstoff besteht, der bezüglich der Magnetisierbarkeit
und der Stromleitfähigkeit dem des Werkstückes etwa entspricht, wird eine Überhitzung
und damit Chefhärtung der Bohrungskanten bei 6 und 7 vermieden, und die erhitzte
und damit gehärtete Zone reicht in gleichmäßiger Stärke bis an die Bohr ungskanten
heran, wie in den Abb. z und 3 bei z o durch gestrichelte Linien angedeutet. Dies.
ist darauf zurückzuführen, daß das eingesetzte Füllstück einen Zustand vortäuscht,
als wäre die Aussparung überhaupt nicht vorhanden.
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Eine gleichmäßige Einhärtung bis in die Ränder der Aussparung hinein
ist aber; wie bereits dargelegt,-aus Gründen der Weiterbearbeitung und der
dann
immer noch bestehenden Rißgefahr vielfach unerwünscht.
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Wird nun für die öffnung ein Füllstück gemäß der Erfindung verwendet,
so ergibt sich ein Bild, wie es in Abb. a und den senkrechten Schnitten durch die
Bohrung (Abb. 5 bzw. 6) dargestellt ist. Das Werkstück i wird wiederum in Richtung
des Pfeiles 4. unter der bei 9 angedeuteten Induktionsspule hindurchbewegt. Die
Öffnung 2 ist mit einem Füllstück gemäß der Erfindung aus elektrisch gut leitendem,
nicht ferromagnetischem Werkstoff verschlossen. Die Stromfäden in dem Werkstück
verlaufen wie bei 5 angedeutet. Wie aus den Schnitten Abb. 5 und 6 ersichtlich,
reicht die Härtezone 3 nirgendwo bis an die Kanten der Bohrung heran. Diese Erscheinung
ist darauf zurückzuführen, daß (las unmagnetische Füllstück 8 eine Verschlechterung
der elektrischen Kopplung bewirkt, während andererseits für eine gute Stromleitung
und Wärmeleitung gesorgt wird. Es ergeben sich zwar gewisse Ausbauchungen der nicht
erhitzten und damit nicht gehärteten Zone bei 6 und 7. Diese Ausbauchungen sind
aber im allgemeinen nicht störend, wenn sie nicht erheblichen Umfang annehmen; denn
das Wesentlichste ist, daß die Härteschicht an keiner Stelle bis an den Rand der
Bohrung heranreicht.
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Die Form des Füllstückes ist so auszubilden, daß es sich in allen
Punkten ,der Hohlr aumwandung dicht anschließt.
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Die Abmessung des Füllstückes in Richtung der Hohlraurnachse ist mitbestimmend
für die Ausdehnung der durch die Erhitzung und ,das nachfolgende Abschrecken unbeeinflußt
bleibenden Zone. je größer die Dicke des Füllstückes in Achsrichtung -der Bohrung
ist, um so größer wird die nicht gehärtete Zone (vgl. Abb.5 bei 6 und 7 in Verbindung
mit ä). Welche Abmessungen in jedem Einzelfall zu wählen sind, ergibt sich mithin
aus den besonderen Umständen, die vorliegen.
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Um den erwähnten, besonders guten Paßsitz des Füllstückes zu gewährleisten,
kann es zweckmäßig sein, das Füllstück mit dem Hammer in die betreffende Aussparung
oder Bohrung einzutreiben. Dabei wird sich im allgemeinen ein Grat bilden. Dieser
Grat kann, wie aus Abb. 7 ersichtlich, bei 3 um die Kanten der Bohrung umgelegt
werden, wodurch ebenfalls eine wirksame Beeinflussung der Größe der ungehärteten
Zone erreicht wird. Selbstverständlich kann, sofern das Eintreiben des Füllstückes
nicht mit dem Hammer erfolgt, das Füllstück von vornherein mit einer Erhöhung ausgerüstet
werden, die dann umgelegt wird, oder aber das Füllstück kann etwa die Form eines
flachen Nietkopfes aufweisen.
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Das gute Anpressen des Füllstückes an die-Wandungen der Bohrung, Aussparung
od. dgl., in die es eingesetzt wird, kann auch dadurch erreicht «erden, daß federnd
nachgiebige Füllstücke benutzt werden, die mit Aussparungen, Schlitzen od. dgl.
versehen sind, in die dann Beilagen in Form von Keilen, Kegeln od. dgl. eingetrieben
werden. Nach Abb. 8 ist z. ß. ein Hohlzylinder i aus Kupfer oller Aluminium vorgesehen,
in den zur Keilwirkung ein Kegel 2 eingetrieben wird. Gegebenenfalls kann derZylinder
inLängsrichtung geschlitzt sein. Nach Abb. 9 ist aus einem Vollzylinder i ein Segment
ausgeschnitten, in das ein entsprechendes Segment 2 als Keil eingetrieben wird.
Nach Abb. ioa und i ob ist der Füllstückkörper i mit einer Nut versehen, in die
eine Feder 2 eingetrieben wird. Die einzutreibenden Teile 2 können entweder aus
dem gleichen Metall wie das gesamte Füllstück hergestellt sein oder aber aus einem
anderen Metall und sogar aus nichtmetallischen Werkstoffen bestehen.
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Während es durch Verwendung der bisher beschriebenen Füllstücke gelingt,
die Einhärtung vom Rande des Hohlraumes fernzuhalten, wird hierdurch noch nicht
gewährleistet, daß die unbehandelt gebliebene Zone um den Hohlraum herum in jeder
Richtung gleiche Ausdehnung hat. Wie in Abb. 4. angedeutet, ist die ungehärtet bleibende
Zone 7 an dem Randteil der Bohrung, der zuerst unter den Einfluß der Spule gerät,
von größerer Ausdehnung als die am gegenüberliegenden Randteil (vgl. bei 6). Im
allgemeinen kann auf eine gleichmäßige Ausdehnung dieser Zonen verzichtet werden;
in Fällen jedoch, in denen weitgehende Nachbearbeitungen der Hohlraumwandungen erforderlich
sind, kann es zweckmäßig sein, für eine gleichmäßige Ausdehnung der Zone in jeder
Richtung Sorge zu tragen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine Kombination
der in Verbindung mit Abb. i geschilderten Verhältnisse mit denjenigen nach Abb.
d. herbeigeführt wird.
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Das geschieht in der Weise, daß senkrecht zur Vorschubrichtung den
im Werkstück induzierten Strömen ein Leitweg nicht oder in nur beschränktem Maße
zur Verfügung gestellt wird. Zu diesem Zweck wird das Füllstück aus verschiedenen
Schichten aufgebaut, wobei die Schichten aus Werkstoff unterschiedlicher elektrischer
Leitfähigkeit und Magnetisierbarkeit bestehen. Abb. i i zeigt einen Schnitt durch
ein solches Füllstück, bei welchem der mittlere Teil i aus nicht ferromagnetischem,
gut leitendem Werkstoff hergestellt ist, während die Teile :2 aus einem Isolationswerkstoff
bestehen. In den Hohlraum ist ein solches Füllstück in der Weise einzubauen, daß
die größte Ausdehnung des Teiles i in Vorschubrichtung liegt. In vielen Fällen kann
sogar auf die beiden Isolationsschichten 2 verzichtet werden, wodurch zwischen dem
Füllstück und den Wandungen des Hohlraumes ein isolierender Luftzwischenraum entsteht.
Sinngemäß kann die Ausbildung .der einzelnen Schichten des Füllstückes auch andere
Formen annehmen, wie dies in Abb. 12 und 13 dargestellt-ist. Nach Abb. 12 ist eine
Keilform für den Teil i vorgesehen, während nach Abb. 13 das Füllstück einen Hohlzylinder
mit exzentrisch angeordnetem Hohlraum darstellt. Der Hohlraum kann mit einem Isolierwerkstoff
angefüllt werden. Die Abwandlung der Ausbildung der einzelnen Schichten des Füllstückes
ist durch die genannten Beispiele nicht erschöpft. je nachdem in welcher Weise die
Form der nicht zu -behandelnden Zone rings um
den Hohlraum beeinflußt
werden soll, können auch andere Ausbildungsformen gewählt werden. So kann beispielsweise
der nicht ferromagnetische leitende Teil des. Füllstückes in Achsrichtung der Bohrung
ungleichmäßig dich sein. Dabei ist das Füllstück so in die Bohrung einzusetzen,
,daß der dünnere Teil zuerst unter die. Einwirkung der Induktionsspule gerät.
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Die Erfindung ist der Einfachheit halber in Vexbindung mit Rundlöchern;
und dementsprechend mit Füllstücken zylindrischer Form oder Formen besprochen worden,
die sich von einem Zylinder ableiten. Die gleichen Erscheinungen treten bei anders
geformten Hohlräumen, beispielsweise Rechtecken od. dgl., auf, wobei dann die Füllstücke
eine entsprechende Ausbildung erfahren.
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In Abb. 14 ist ein Teil dargestellt, wie er bei der Härtung von Platten
praktisch wird, die mit Aussparungen od. dgl. versehen sind. Die Platte i soll in
Richtung des Pfeiles 3 unter einer Induktionsspule 2, die der Einfachheit halber
strichpunktiert angedeutet ist; hindurchbewegt werden. Die Induktionsspule 2 steht
schräg zur Vorschubrichtung, was den Vorteil hat, daß ein Werfen der lang gestreckten
Platte in Längs- und Querrichtung vermieden wird. In der Mitte der Platte befindet
sich eine Aussparung. Um sicherzustellen, daß an den Rändern des Schlitzes nach
der Härtung eine Zone verbleibt, die mit spanabhebenden Werkzeugen nachbearbeitet
werden kann, sind Füllstücke 4 und 5 gemäß der Erfindung vorgesehen. Diese Füllstücke
werden, wie bei 6 angedeutet, mit Hilfe einer Klemmvorrichtung, wie z. B. eines
Keiles, einer Spindel oder einer Schraube, gegen die Wandungen der Aussparung gepreßt.
Die genaue Form der Füllstücke 4' und 5 wird für .den Einzelfall durch einige Stichversuche
zu ermitteln sein. Ihre Abschrägung gegenüber der Vorschubrichtung ergibt sich aus
der Schräglage der Induktionsspule i. Der von den Füllstücken 4 und 5 und der Klemmvorrichtung
6 nicht ausgefüllte Raum des Hohlraumes kann mit Isolierwerkstoff angefüllt werden
oder aber, wie in der Abbildung angedeutet, frei bleiben, wobei dann die Luft die
Wirkung eines Isolationswerkstoffes übernimmt.
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Die Beschreibung des Erfindungsgegenstandes setzte ein fortschreitendes
Erhitzen des Werkstückes voraus. Die gleichen Erscheinungen treten aber auch dann
auf, wenn ein Werkstück ohne Relativbewegung zwischen Spule und Werkstück erhitzt
wird, wie dies beispielsweise für das Härten von Wellenzapfen üblich ist. Den Erscheinungen
wird in .diesen Fällen mit den gleichen Mitteln begegnet, die in Verbindung mit
dem fortschreitenden Erhitzen bereits beschrieben wurden.