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Vorrichtung zum elektroinduktiven Oberflächenerhitzen von verzahnten
Werkstücken Die Verwendung von hochfrequenten Strömen zum Oberflächenerhitzen von
Werkstücken ist an sich bekannt, und zwar werden in Ausübung dieses Heizverfahrens
Spulen verwendet, die das Werkstück umschließen oder sich über der Oberfläche der
aufzuheizenden Werkstückteile zu einer Schleife schließen. Durch diese Mittel werden
in dem Werkstück Ströme induziert, die entsprechend dem Widerstand des Werikstückes
ein Aufheizen bestimmter, der Oberfläche benachbarter Schichten ermöglichen. Die
Eindringtiefe ist in sehr weitgehendem Maße abhängig von der Frequenz :des Primärstromes,
und je höher die Frequenz ist, um so geringer ist die Schichtdicke, in der sich
die die Temperaturerhöhung hervorrufenden induzierten Ströme konzentrieren. Das
elektroinduktive Verfahren und die anzuwendenden Mittel sind derart entwickelt,
-daß sie sich für die Wärmebehandlung und auch für das Oberflächenerhitzen mit nachfolgendem
Abschrecken zwecks Härtens in der Praxis für Werkstücke verhältnismäßig einfacher
Form voll bewährt haben. Wenn jedoch die Aufgabe gestellt ist, verwickeltere Formen
insbesondere nur oberflächlich aufzuheizen, ergeben sich gewisse Schwierigkeiten,
und zwar erklären sich diese Schwierigkeiten auf Grund folgender Überlegungen.
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Der im Werkstück erzeugte Heizstrom sucht den Weg .des geringsten
Gesamtwiderstandes. Dieser Gesamtwiderstand setzt sich aus einer Ohmschen Komponente
und einer induktiven Komponente zusammen. Bekanntlich ist nun der induktive
Widerstand
am geringsten, wenn die Heizströme die größtmögliche Querschnittsfläche einschließen,
d. h. wenn möglichst viele im Werkstück verlaufende magnetische Kraftlinien von
den Strömen umschlossen werden. Demgegenüber ist für. die Ohnische Komponente der
geringste Wert erzielt, wenn der Weg der Heizströme möglichst klein ist, d. h. wenn
.die Heizströme sich eng um die Achse des Werkstückes schließen. Die wirklich auftretende
Eindringtiefe des Stromes stellt das mögliche Optimum der @beiden genannten Faktoren
dar, d. h. die wirkliche Eindringtiefe ergibt sich in einer Schicht, für .die der
Gesamtwiderstand (Ohmsche und induktive Komponente) ein Minimum wird.
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Hieraus ergibt sich, daß gerade bei verzahnten Werkstücken eine ungünstige
und ungewollte Wirkung der hochfrequenten Ströme beobachtet wird. Unter verzahnten
Werkstücken sind solche zu verstehen, bei denen aus der Gesamtmasse des Werkstückkörpers
regelmäßig .oder tunregelmäßig verteile Vorsprünge 'herausragen., wie beispielsweise
die Zähne von Zahnrädern, Zahnstangen od..dgl. oder Vorsprünge sonstiger Art, wie
beispielsweise Rippen, Nocken od. dgl. Bei diesen Werkstücken ist die tatsächliche
Oberfläche gegenüber der Oberfläche, ,die die Hauptmasse des Körpers aufweisen würde,
stark vergrößert, so daß. der induzierte Strom; der an der Oberfläche fließen soll,
außerordentlich lange Stromwege durchlaufen müßte. Tatsächlich nimmt der induzierte
Strom diesen Weg nicht oder nur unvollkommen, weil der Widerstand auf dieser Strecke
zu groß ist. Wenn daher beispielsweise ein Zahnrad i (Abb. i) von einer konzentrisch
stromdurchflossenen Spule 3 konzentrisch umschlossen wird, ,die dem Aufheizen der
Zähne 2 bzw. Zahnflanken dienen soll, so tritt diese erwünschte Wirkung nicht ein.
Infolge des durch die größere Länge ,des Weges q. bedingten Ohmschen Widerstandes
gegenüber einem Stromweg, der durch .den Fußkreis 5 verläuft, ist bei,den gebräuchlichen
technischen Frequenzen eine gleichmäßige Aufheizwirkung nicht zu erzielen; .denn
der optimale Gesamtwiderstandswert liebt in der Nähe des Fußkreises 5. Die Temperatursteigerung
erfolgt daher zunächst in der Nähe des Fußkreises, und erst bei genügend langet
Einwirkung würde auch eine Temperaturerhöhung der Zähne 2 eintreten. Jedoch ist
auf diese Weise ein vollkommenes Durcherwärmen der Zähne nicht zu verhindern, und,
die Folge wäre eine vollkommene Durchhärtung der Zähne beim Abschrecken, ein Zustand,
der die Verwendbarkeit eines solchen Zahnrades ausschließen würde. Eine kurzzeitige
Einwirkung würde zu einer Temperaturerhöhung und damit zu einer Härtung führen,
die nur .die Fußpunkte der Zähne in,der Nähe des Fußkreises erfassen würde, wie
bei 6 angedeutet Auf Grund ,dieser Überlegungen ist es offenbar erforderlich, bei
verzahnten Werkstücken der genannten Art induzierte Ströme zu erzeugen, .deren Strombahnen
minimale Weglängen aufweisen. Dies gelingt .dann, wenn bei Werkstücken, deren aufzuheizende
Oberflächenteile aus der Gesamtmasse dee Werkstückkörpers regelmäßig oder unreigel@mäßic
verteilt herausragen, wie beispielsweise Zähne vor Zahnrädern, Zahnstangen u. dgl.,
oder wie Vorsprünge sonstiger Art, beispielsweise Rippen, Nocken u. dgl., ein Heizleiter
ziekzackförmig durch die Lücken zwischen den Zähnen oder Vorsprüngen hindurchgeführt
wird, so :daß den Flanken der Zähne und Vorsprünge gegensinnng gespeiste Leiterteile
benachbart sind, die einen im Zahn oder Vorsprung fließenden, in sich geschlossenen
Heizstromkreis induzieren.
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Im nachfolgenden wird an Hand :der Zeichnungen der Erfindungsgedanke
näher erläutert: In Abb. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch .dargestellt.
Das Werkstück :2 stellt entweder eine Zahnstange oder eine teilweise Abwicklung
des Umfanges eines Zahnrades dar. Der Leiter i ist jeweils einmal von der einen
und einmal von der anderen Seite an den Zahnflanken eines Zahnes vorbeigeführt,
so daß neben jedem Zahn ein Leiterteil 3 liegt, der in einer Phase in der einen
Richtung gespeist wird, und auf der anderen Seite ein Leiterteil q., der entgegengesetzt
gespeist wird. Durch die Heizleiterteile 3 und q. wird ein Stromfluß längs der Zahnflanken
erzwungen. Dieser Stromfluß schließt sich im Zahn, wie bei 5 angedeutet. Die Heizleiterteile
6 und 7 erzeugen ein magnetisches Feld; welches ebenfalls eine Konzentration der
Ströme in der Oberflächenschicht hervorrufen soll. Durch Zusammenwirken der entstehenden
Felder wird eine besonders starke Verdrängung in den Oberflächenschichten der Zähne
erzielt.
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Der Heizleiter, der in Abb. 2 als Draht dargestellt ist, kann selbstverständlich
seiner Form nach der Ausbildung der Zähne bzw. der Zahnlücken angepaßt werden.
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Um den Wirkungsgrad einer Anordnung nach Abb. 2 zu verbessern, kann
gemäß Abb. 3 noch ein zweiter Leiter benutzt werden, der ebenfalls zickzackförmig
um die Zähne bzw. Vorsprünge herumgeführt wird. Um die Zähne der Zahnstange i nach
Abb. 3 sind .die beiden Leiter 3 und 5 entgegengesetzt zickzackförmig herumgeführt.
Der Leiter 3 wird in Richtung des Pfeiles ¢ und der Leiter 5 in Richtung des Pfeiles
6 gespeist, d. h. also .beide Leiter sind entgegensinnig stromdurchflossen: In den
Zahnlücken. bei 7 liegen jeweils zwei Leiter, deren Ströme gleichgerichtet sind.
Die Stromstärke ist mithin an diesen Stellen und damit gegenüber den Flanken der
Zähne doppelt so groß als gegenüber den Stirnflächen io, so daß die Stirnflächen,
die eine Härtung nicht erfahren sollen, vor einer übermäßigen Temperaturerhöhung
bewahrt werden. Durch diese Anordnung zweier zickzackförmiger Leiter bilden sich
um die Zähne herum gewissermaßen Einzelheizelemente, die in jedem Zahn einen geschlossenen
Stromkreis 9 induzieren. Dieser in sich geschlossene Stromkreis kann durch geeignete
Wahl der Kopplung so gesteuert werden, daß er an den zu härtenden. Stellen der Zahnflanken
höchste Konzentration zeigt.
Die in den Lücken liegenden Leiter
können, wie aus Abb. q. und 5 ersichtlich, über- oder nebeneinanderliegen, wobei
ihre Formen sich zu einer der Lückenform entsprechenden Gestalt ergänzen.
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Die Maßnahmen gemäß ider Erfindung sind in ihrer Anwendung nicht beschränkt
auf das Behandeln von Zahnrädern, Zahnstangen u. dgl. Sie können vielmehr überall
dort angewendet werden, wo es sich darum handelt, ausschließlich die Oberflächen
von Vorsprüngen u..dgl. zu erwärmen, die aus einer großen Gesamtmasse :des Werkstückes
herausragen.