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Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von langgestreckten Werkstücken,
insbesondere Platten oder Blechen Es ist bekannt, daß Werkstücke der verschiedensten
Formen und Ausbildung mittels induktiver Erhitzung oberflächlich gehärtet werden
können. Zur Ausübung derartiger Verfahren sind stromführende Spulen vorgeschlagen
worden, die mit einem Strom hoher Frequenz gespeist werden, wobei die Spule entweder
unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators an die Energiequelle
angeschlossen ist.
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Für das Oberflächenhärten von langgestreckten Werkstücken, die verhältnismäßig
dünn sind, wie Bleche und Platten, sind Spulen besonderer Art vorgeschlagen worden.
Diese Spulen sind so ausgebildet, daß sie über dem Werkstück eine Schleife bilden,
wobei die eine Schleife so ausgebildet ist, daß sie geringe Stromkonzentration und
schlechte Kopplung aufweist, so daß durch diese Schleife eine nur geringe Temperaturerhöhung
im Werkstück erzielt wird, die zur Vorwärmung vor der eigentlichen Erreichung der
Härtetemperatur durch den zweiten Teil der Schleife dient. In diesem Zusammenhang
ist auch vorgeschlagen worden, die eine Schleife der Spule unter dem Werkstück hindurchzuführen,
so daß die Platte gewissermaßen durch die Spule hindurchläuft, wobei aber Stromkonzentration
und Kopplung in der unter dem
Werkstück hergeführten Schleife so
gewählt werden, daß eine Beeinflussung des Werkstücks hierdurch nicht eintritt.
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Bekannt war an sich, däß durch die geeignete Wahl der Kopplung, das
ist der Abstand zwischen Werkstück und Heizleiter der Spule, gewisse Beeinflussungen
der Wärmewirkung möglich sind.
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Bei Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtungen zur Oberflächenhärtung
von Blechen und Platten ergibt sich der Übelstand, daß die Werkstücke starkem Verzug
sowohl in der Längs- als auch in der Querrichtung aufweisen. Zweck der Erfindung
ist es, Maßnahmen anzugeben, mit denen es gelingt, diesen Verzug zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine mit hochfrequentem Strom gespeiste
Spule um das Werkstück herumgelegt wird, wobei aber die Spule so ausgebildet wird,
däß sie nicht nur die eine Oberfläche auf Härtetemperatur bringt, sondern auch auf
der gegenüberliegenden Oberfläche eine gewisse Temperaturerhöhung hervorruft.
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Der Verzug wird um so geringer sein, je höher die Temperatur auf der
nicht zu härtenden Fläche getrieben wird. Im allgemeinen handelt es sich aber um
vergütete Bleche oder Platten, so daß für die Temperaturerhöhung auf der Gegenseite
eine Temperatur gewählt werden muß, bei der die Vergütung noch nicht aufgehoben
wird. Dies wird im allgemeinen bei Stahl für Temperaturen der Fall sein, die zwischen
400 und 6oo° liegen.- Ferner wird der Verzug um so stärker verringert, je tiefer
die Temperaturerhöhung in das Werkstück eindringt und je breiter die erwärmte Zone
ist.
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Die gleichzeitige Erhitzung der zu härtenden Oberfläche auf Härtetemperatur
und die Erwärmung der Gegenseite werden erreicht durch zweckmäßige Wahl der Querschnitte
und der Kopplung der Spulenteile über den verschiedenen Oberflächen. Es ist auch
möglich, die Vorrichtung so auszubilden, daß gleichzeitig eine Vorwärmung der zu
härtenden Oberfläche erfolgt. Bei Stahl kommen hierfür Temperaturen von etwa 500°
in Frage.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Abb. i bis 5 stellen senkrechte Schnitte durch Vorrichtungen gemäß
der Erfindung dar; Abb. 6 und 7 .zeigen eine Vorric'b.tung im senkrechten Schnitt
und in Aufsicht, bei welcher eine Vorwärmung der zu härtenden Oberfläche erzielt
wird, und Abb. 8 zeigt eine Einrichtung, bei der ebenfalls eine Vorwärmung der zu
härtenden Oberfläche durchgeführt wird, wobei jedoch zwei Spulen vorgesehen sind.
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Nach Abb. i bis 5 soll eine Platte mit einer durch besondere Schraffur
gekennzeichneten Härteschicht 2 versehen werden. Hierzu wird gemäß der Erfindung
eine Spüle vorgesehen, die mit Strom hoher Frequenz gespeist wird, wobei die Spule
entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators an die Energiequelle
angeschlossen ist. In der Nähe der zu härtenden Oberfläche der Platte i ist ein
dünnes Kupferrohr 4 vorgesehen, das wassergekühlt wird. Dieses Kupferrohr .4 ist
in enge Kopplung mit der zu behandelnden Platte gebracht. Der Stromkreis wird geschlossen
durch ein unter der Platte hergeführtes Teil 5" das einen bedeutend größeren
Querschnitt aufweist und in größerer Kopplung zu dem Werkstück steht. Eine Kühlung
der Spule ist lediglich in der Nähe der zu härtenden Oberfläche erforderlich. Die
Zu- und Ableitung des Kühlwassers erfolgt durch Stutzen 6, die seitlich angeordnet
sind.
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Das Abschrecken erfolgt unmittelbar nach der Aufheizung auf Härtetemperatur
mittels einer Spritzvorrichtung, die der Einfachheit halber nicht dargestellt ist.
Auch sind Transportvorrichtungen für die Relativbewegung zwischen Spule und Werkstück
fortgelassen: WelcheMittel für denTransport zu verwenden sind, ergibt sich für den
Fachmann von selbst. Die Bewegungsrichtung des Werkstücks zur Heizvorrichtung. ist
durch Pfeile angedeutet.
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Die richtige Wahl des Verhältnisses zwischen Erhitzungsquerschnitt
4 und Erwärmungsquerschnitt 5 ergibt sich auf Grund einiger Stichversuche. Die Wahl
hat zu erfolgen unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Leistung der
elektrischen Anlage, der gewünschten Härtetiefe und der Vorschubgeschwindigkeit.
Das Kupferrohr 4 mit geringem Querschnitt, das zu hoher Stromkonzentration Veranlassung
gibt, dient der Erhitzung auf Härtetemperatur und kann entweder, wie aus Abb. i
ersichtlich, senkrecht stehen oder, wie in Abb. 2 bis 5 gezeigt, seine flache Seite
der zu erhitzenden Oberfläche zuwenden. Selbstverständlich ist die Ausbildung der
Vorrichtung nicht an die gezeigten Rohrquerschnitte gebunden. Vielmehr können auch
andere Formen, z. B. kreisförmig, rechteckig, oval, angewendet werden. Das unter
der Platte hergeführte Teil 5 der Spule, das die Erwärmung der Unterseite hervorruft,
hat einen großen -Querschnitt und weist eine schlechte Kopplung 3 auf. Nach Abb.
i, 2 und q. ist das Teil 5 symmetrisch unter der Härtezone angeordnet, wobei nach
Abb. i die Erwärmungszone breiter ist als die Härtezone. Nach Abb.3 und 5 dagegen
liegt die Erwärmungszone nicht symmetrisch zur Härtezone. Bei einer Einrichtung
nach Abb.3 setzt die Erwärmung der nicht zu härtenden Fläche gleichzeitig mit der
Erhitzung der zu härtenden Fläche auf Härtetemperatur ein, während nach Abb. 5 die
untere Fläche schon vorzeitig erwärmt wird. Durch geeignete Auswahl einer der Ausbildungsformen
der Heizvorrichtung nach Abb. i bis 5 ist es möglich, besonderen Umständen, die
bei der Härtung auftreten und den Verzug beeinflussen, entgegenzuwirken.
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In Abb. 6 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, bei
welcher die Platte i mit einer Härteschicht :2 unter Vorwärmung der zu härtenden
Oberfläche und Erwärmung der Gegenfläche versehen wird. Die eigentliche Härtetemperatur
wird hervorgerufen durch den Querschnitt 4. der Spule, die Erwärmung der Unterseite
der Platte durch den Querschnitt 5, der eine verhältnismäßig große Kopplung 3 zum
Werkstück aufweist. Der
große Querschnitt 7 der Spule, der ebenfalls
eine große Kopplung zum Werkstück aufweist, dient der Vorwärinung -der zu härtenden
Oberfläche.
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Die Stromzuleitungen 8 und 9 sind, wie aus der A11.7 ersichtlich,
in der Mitte der Spule angeordnet. Wie ebenfalls aus Abb. 7 ersichtlich, sind zwischen
dein Teil 7 und dem Teil 4. Verstärkungsrippen io vorgesehen, die eine unerwünschte
Überhitzung der Kanten des Werkstücks vermeiden.
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Es ist selbstverständlich, daß bei der Vorrichtung gemäß Abb. 6 und
7 das Verhältnis der Leiterquerschnitte unter Berücksichtigung der Leistung der
elektrischen Anlage und der angewendeten Kopplung so gewählt werden muß, daß die
gewünschte Stromverteilung und damit die gewünschte Temperaturhöhe und Temperatureindringtiefe
in den einzelnen Heizabschnitten eintritt. Im allgemeinen wird man zur Herstellung
der Spulen Kupfer verwenden; es können aber auch andere elektrisch leitende Werkstoffe
Anwendung finden. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Leitfähigkeit dieser
Stoffe kann durch geeignete Wahl ebenfalls die Stromverteilung und damit die Erhitzung
des Werkstücks beeinflußt werden.
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Während in Abb. 6 und 7 Vorwärmung, Erhitzung auf Härtetemperatur
und Erwärmung der Gegenseite des Werkstücks mit einer einzigen Spule durchgeführt
wird, ist in Abb. ä eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher für diesen Zweck zwei
Spulen q., 5 urid 11, 12 vorgesehen sind, die zur Erreichung des gleichen Endzweckes
zusammenwirken. -Die eigentliche Erhitzung auf Härtetemperatur wird vermittelt durch
das Spulenteil 4. und Spulenteil i i. Durch die gekennzeichnete Zusammenwirkung
beider Spulen wird in einfacher Weise eine vergleichsweise breite Erhitzungszone
erzielt, was in vielen Fällen von Vorteil sein kann, beispielsweise wenn mit hoher
Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet werden soll. Das Spulenteil 4 schließt sich mit
dem Teil 5, das unter dem Werkstück hergeführt ist. Teil 5 dient, wie in Verbindung
mit Abb. 3 beschrieben, der Erwärmung der Gegenseite des Werkstücks. Die dieser
Spule q., 5 vorgeschaltete Spule i i, 12 liegt mit beiden Windungen über der Oberfläche
des Werkstücks. Das Spulentei112 mit großem Querschnitt und großer Kopplung dient
der Vorwärmung.
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Die Stromzuführung für beide Spulen ist getrennt, dabei ist dafür
Sorge zu tragen, daß die Stromrichtung in den Teileng. und ii in jedem Augenblick
die gleiche ist, d. h. beide Spulen müssen synchron auf der gleichen Phase arbeiten.
Unter Berücksichtigung dieser Forderung kann auch jede Spule von einer gesonderten
Energiequelle gespeist werden.
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Mit Vorrichtungen der gekennzeichneten Art ist es in einfacher Weise
möglich, langgestreckte Werkstücke mit verhältnismäßig dünnem Querschnitt, wie Platten
und Bleche, verzugsfrei mit einer gehärteten Oberflächenschicht zii versehen. je
nachdem, oh vergleichsweise große oder kleine Platten bzw. Bleche zu behandeln sind,
wird unter Anwendung einer Vorwärmung der zu erhitzenden Zone gearbeitet oder nicht,
wobei gleichzeitig eine entsprechende Einstellung der Erwärmung der Gegenseite zu
erfolgen hat. Welche der beschriebenen Vorrichtungen in jedem Einzelfall zur Anwendung
gebracht werden muß, ergibt sich durch einfache Stichversuche.