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Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken
Zum Erhitzen von Werkstücken auf elektroinduktivem Wege haben sich grundsätzlich
zwei Verfahren entwickelt. Entweder wird eine Induktionsspule benutzt, die das Werkstück
allseitig umschließt, oder aber eine Spule angewendet, die sich in der Form einer
Leiterschleife über der Oberfläche des Werkstückes schließt. Im ersteren Falle entstehen
in dem Werkstück induzierte Heizströme, die sich in einer Ebene schließen, die im
wesentlichen senkrecht zur Oberfläche bzw. zur Längserstreckung des Werkstückes
steht. Im anderen Falle schließen sich die Ströme in Ebenen, die parallel zur Oberfläche
des Werkstückes liegen.
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Bei diesen Verfahren, die vornehmlich zum Erhitzen von metallischen
Werkstücken benutzt werden und insbesondere dort Anwendung finden, wo es sich darum
handelt, das Werkstück zum Zwecke des Härtens auf beschränkte Tiefe zu erhitzen,
können Werkstück und Heizleiter bzw. Heizeinrichtung stillstehen oder aber, wenn
es sich um ein fortschreitendes Erhitzen handelt, Relativbewegungen zueinander durchführen.
Bei dem bekannten Verfahren, bei welchem sich die induzierten Ströme in Ebenen schließen,
die parallel zur Werkstückoberfläche liegen, ergeben sich trotz der sonstigen Eignung
dieses Verfahrens gewisse Schwierigkeiten daraus, daß an den Stellen, an denen sich
die Stromrichtung der einzelnen Teilströme innerhalb der Zeitdauer einer Stromhalbwelle
örtlich umkehrt, eine stärkere Erhitzung eintritt
als an den übrigen
Stellen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in einem solchen örtlichen Stromrichtungswendepunkt
auf der Flächeneinheit eine größere Strommenge konzentriert ist. Beispielsweise
bei einem plattenförmigen Werkstück, bei welchem der Heizleiter über der Werkstückoberfläche
so angeordnet ist, daß sich seine beiden Enden wie üblich etwa über dem Rande des
Werkstückes befinden, aber auch dann, wenn die Enden des Heizleiters über den Rand
überschießen, ergeben sich auf diese Weise stärkere Erhitzungswirkungen in der Nähe
der Werkstückränder. Diese stärkere Erhitzungswirkung hat zur Folge, daß eine ungleichmäßige
Temperaturverteilung eintritt und somit einerseits ein Überhitzen und andererseits
ein tieferes Einhärten, wenn die Oberflächenschicht nach dem Erhitzen abgeschreckt
wird.
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Zweck der Erfindung ist es, bei der Anwendung von Leiterschleifen,
die sich über dem Werkstück schließen und damit zur Ausbildung von induzierten Strömen
Veranlassung geben, die sich in Ebenen parallel -zur Oberfläche des Werkstückes
schließen, ein vollkommen bleichmäßiges Erhitzen über die gesamte Werkstückbreite
zu ermöglichen' und auf diese Weise eine in jeder Beziehung gleichmäßige Temperaturverteilung
sicherzustellen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die örtlichen
Stromrichtungswendepunkte der induzierenden Ströme nach Stellen des Werkstückes
verlegt werden, die außerhalb der eigentlichen Heizzone liegen. Insbesondere in
den Fällen, in denen es sich darum handelt, Werkstücke fortschreitend zu erwärmen,
indem zwischen Heizleiter und Werkstück eine Relativbewegung vorgesehen wird, können
die Wendepunkte in Seitenflächen des Werkstückes verlegt werden, die einer Kühlung
unterworfen werden und damit vor einer unerwünschten Temperatursteigerung geschützt
sind.
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Gemäß der Erfindung werden Heizleiterschleifen benutzt, die unter
Beibehaltung gleicher Kopplung zum Werkstück und/oder gleicher Querschnitte in den
einzelnen Abschnitten bis zu den Stellen der Werkstückoberfläche geführt sind, an
denen die örtliche Stromrichtungswendung der induzierten Ströme vor sich gehen soll.
Das Verfahren kann sinngemäß auch für mehrwindige Heizleiterschleifen Anwendung
finden, es kann auch bei mehreren in Reihe oder parallel geschalteten, nebeneinander
angeordneten Heizleiterschleifen, deren Zuführungen gegeneinander verkröpft sind,
verwendet werden.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Nach Abb. i soll das Werkstück i, das in der Form einer Platte
vorliegt, oberflächlich erhitzt werden, um unter nachfolgendem Abschrecken mit einer
Oberflächenhärteschicht versehen zu werden. Um die ganze Länge des Werkstückes an
der Oberfläche mit einer Härteschicht zu versehen, wird das Werkstück in an sich
bekannter Weise unter der Heizeinrichtung hindurch bewegt. Die Heizeinrichtung besteht
aus einer Leiterschleife 2, ?3, die über Stromzuführungsschienen 4 gespeist wird.
Die Stromzuführungsschienen q. sind bei 5 voneinander isoliert. Unter Einfluß der
Heizleiterschleife 2, 3 bilden sich induzierte Ströme in der Werkstückoberfläche
aus, die in Ebenen parallel zur Ebene der Oberfläche io liegen, und zwar schließen
sich die beiden Stromfädenbündel, die innerhalb jeder Stromhalbwelle entgegengesetzte
Richtung aufweisen, in der Nähe der Enden des Heizleiters zum geschlossenen Stromkreis.
In Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in Abb. i die Leiterschleife
2, 3 so ausgebildet, daß sie mit ihren Enden 6 und 7 und dem jeweiligen Verbindungsstück
8 über die Seitenflächen der Platte greift. Auf diese Weise werden die induzierten
Ströme gezwungen, ihre zum vollkommenen Stromkreisschluß -erforderliche Stromumkehrung
in den Seitenflächen i i des Werkstückes in der Nähe der Verbindungsstücke 8 vorzusehen.
Diese Stellen erheblicher Stromkonzentration können in wirksamer Weise gekühlt werden,
indem entweder ein Kühlmittel aufgespritzt wird oder aber in einfacher Weise das
Werkstück bis etwa zur Linie 12 in ein Flüssigkeitsbad eingetaucht wird. Bei einem
Aufheizen des Werkstückes unter einer Bewegung des Werkstückes in Richtung des Pfeiles
13, wird in der Oberfläche io eine Aufheizwirkung erzielt, die in völlig gleichmäßiger
Ausbildung von der Kante 14. bis zur Kante 15 reicht. Zum Oberflächenhärten wird
in an sich bekannter Weise die Oberfläche anschließend an das Aufheizen abgeschreckt.
In an sich bekannter Weise kann ferner der eine Heizleiter einen größeren Querschnitt
aufweisen als der andere, wie beispielsweise bei 3, angedeutet. In diesem Falle
wirkt der Heizleiter 3 als Vorwärmer.
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Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung sowie die Anwendung der
hierzu erforderlichen Vorrichtung nicht an eine Werkstückform gebunden ist, wie
sie in Abb. i dargestellt ist. So können beispielsweise auch walzenförmige Körper
in der gleichen Weise behandelt werden, wenn der Wunsch besteht, die Oberfläche
der Walze unter gleichzeitiger Beeinflussung der gesamten Mantelflächenlänge zu
erwärmen. Ein solcher Fall ist in Abb. 2 dargestellt. Über der Walze i ist in Achsrichtung
eine Leiterschleife 3, q. angeordnet, die mittels Zuleitungen 5 und 6 gespeist wird.
Die Zuleitungen sind bei 7 voneinander isoliert. Die Oberfläche 2 der Walze i bewegt
sich in Pfeilrichtung unter Umdrehung um die eigene Achse unter der Heizeinrichtung
hinweg. Die Heizleiter 3, q. greifen mit. den Abschnitten i o, ii bzw. i o', i i'
um die Stirnflächen der Walze herum. Innerhalb einer Halbwelle des Erregerstromes
ist die durch die Pfeile 9 angedeutete Stromrichtung gegeben. Infolge der gewählten
Ausbildung der Heizeinrichtung sind die Wendepunkte für die Stromrichtung des induzierten
Stromes in die nicht zu behandelnden Stirnflächen der Walze verlegt. ,An diesen
Stellen kann eine zweckentsprechende Kühlung vorgesehen werden, um unerwünschte
Erwärmungen zu unterbinden.
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In ganz entsprechender Weise kann die Anordnung getroffen werden,
wenn es sich darum handelt,
die Innenbohrung einer Walze zu behandeln,
wobei, wie in Abb.3 veranschaulicht, die Heizleiter 3, 4. in die Bohrung :2 hineinverlegt
werden. Die Heizleiter 3, ,4 werden wiederum durch die bei 7 gegeneinander isolierten
Anschlußschienen 5 und 6 gespeist. Die Enden der Heizleiter 3, 4 sind aus der Bohrung
2 der Hohlwalze i herausgezogen und schließen sich über den Stirnflächen 12 zur
Schleife, so daß die Stromwendepunkte für die induzierten Ströme in die Stirnflächen
12, der Hohlwalze verlegt sind. Diese können, wie in Verbindung mit Abb. 2 und i
geschildert, gekühlt werden.
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Wie ersichtlich, weicht der Verlauf der Leiterstücke i o, i i bzw.
i o', i i' in den Abb. 2 und 3 voneinander ab. Selbstverständlich sind auch noch
andere Formen für diese Teile der Heizleiter möglich, und zwar werden sie zu wählen
sein in Anpassung an den flächenmäßigen Verlauf, den man den örtlichen Stromwendepunkten
der induzierten Ströme zu erteilen beabsichtigt. Durch die Form der Stromwendepunkte
bzw. ihre flächenmäßige Ausdehnung kann die von außen herangetragene Kühlwirkung
im gewünschten Sinne beeinflußt werden.