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Verfahren zum elektroinduktiven Oberflächenhärten von zylindrischen
Voll- und Hohlkörpern Die Erfindung betrifft das elektroinduktive Oberflächenhärten
von zylindrischen Voll- und Hohlkörpern. Für das elektroinduktive Erhitzen kann
entweder eine Spule benutzt werden, die das Werkstück umschließt oder eine Heizleiterschleife,
die sich über der Werkstückoberfläche schließt. Diese beiden Induktorarten können
auch bei dem Erwärmen zylindrischer Voll- und Hohlkörper benutzt werden. Aus naheliegenden
Gründen ist zum Oberflächenerhitzen solcher zylindrischer Körper meist eine Spule
verwendet worden, je-nach den Verhältnissen ein- oder mehrwindig ausgebildet. Wenn
es sich um besonders langgestreckte Härtestellen an der Oberfläche handelte, so
wurde gleichzeitig das Werkstück axial fortschreitend durch den Induktor hindurchbewegt.
Leiterschleifen sind bisher bei zylindrischen Körpern praktisch nur bei großen Abmessungen
verwendet worden, wobei das Werkstück während des Erhitzungsvorganges um seine Achse
umläuft. Es wurde für zweckmäßig gehalten, dieses Umlaufverfahren anzuwenden, weil
es mit einer umfassenden Spule bei großen Abmessungen Schwierigkeiten bereitet,
die erforderliche Energie auf das Werkstück zu übertragen, so daß mit sehr großen
Leistungen gearbeitet werden müßte. Abgesehen von einer Anwendung für große Werkstückabmessungen
hat sich das Oberflächenerhitzen
mittels umfassender Spulen durchaus
bewährt. Elektrotechnisch kann allen vorkommenden Bedingungen entsprochen werden,
und für die Anordnung bzw. Bewegung des Werkstückes sind nur mechanisch einfache
Hilfsmittel erforderlich.
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Es ergibt sich indes ein Nachteil, nämlich der, daß es nicht mehr
möglich ist, bei einer bestimmten Frequenz Werkstücke, deren Durchmesser ein bestimmtes
Maß unterschreitet, oder bei Hohlkörpern, deren Wandstärke geringer ist als bestimmte
Mindestwerte, die Aufheizwirkung auf die Oberfläche zu beschränken. Es tritt vielmehr
ein Erwärmen ein, das den gesamten Querschnitt erfaßt, und in kürzester Zeit ist
das Werkstück bis in den Kern hinein auf hohe Temperatur gebracht. Diese Feststellung
steht zunächst anscheinend in einem gewissen Widerspruch zu der bekannten Tatsache,
daß ein durchgehendes Erhitzen von Werkstücken auf elektroinduktivem Wege an gewisse
Mindestabmessungen gebunden ist, wenn mit einem noch tragbaren Wirkungsgrad gearbeitet
werden soll. Die Feststellung steht auch im Widerspruch zu der bekannten Tatsache,
daß sonst im allgemeinen zu jeder Frequenz eine bestimmte Tiefe gehört, auf der
die Erwärmung Platz greift und die nicht überschritten werden kann, es sei denn;
daß unverhältnismäßig lange Aufheizzeiten, während welcher ein Wärmefluß eintreten
kann, angewendet werden. Dieses Mittel ist an sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
untragbar und führt außerdem leicht zu Verbrennungen der Oberfläche, die gerade
beim Oberflächenhärten ängstlich vermieden werden müssen. Aus diesen sich zum Teil
anscheinend widersprechenden Erfahrungstatsachen ergibt sich die Regel, daß, je
geringer die Frequenz ist, um so größer der Durchmesser des Werkstückes sein muß,
wenn wirksam verhindert werden soll, daß die Wärmewirkung zu tief in das Werkstück
eindringt und damit zu große Härtetiefen erreicht werden. Bekanntlich ist es aber
unbequem, höhere Frequenzen anzuwenden, was immer dann der Fall sein müßte, wenn
Werkstücke geringer Durchmesser bzw. geringer Wandstärken behandelt werden sollen.
Zudem ist es bei vorhandenen Erzeugeranlagen, die der Behandlung der verschiedensten
Werkstücke dienen sollen, gar nicht möglich, die Frequenz in so weiten Grenzen abzuwandeln,
daß auch Werkstücke geringen Durchmessers behandelt werden können: Bei einer Anlage,
die mit einer Frequenz von 2ooo Hz arbeitet, ist es beispielsweise nicht möglich,
an zylindrischen Werkstücken mit einem Durchmesser von weniger als 32 mm oder bei
Hohlkörpern mit einer Wandstärke von weniger als 16 mm, entsprechend etwa dem halben
Durchmesser, ein Erwärmen und damit ein Härten durchzuführen, das auf Oberflächenschichten
beschränkt bleibt.
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Für die Verhältnisse bei Werkstücken geringer Abmessungen sind nach
den Erkenntnissen des Erfinders offenbar zwei Gründe maßgend: i. werden anscheinend
die Anziehungskräfte zwischen den induzierten Strömen im Werkstück und den induzierenden
Strömen im Heizleiter teilweise aufgehoben. Sie heben sich wahrscheinlich deshalb
auf, weil der sich schließende Stromkreis im Werkstück einen so geringen Durchmesser
aufweist, daß jeder Punkt dieses Stromkreises in Wechselwirkung tritt zu dem diametral
ihm gegenüberliegenden Punkt des gleichen Kreises, in welchem umgekehrte - Stromrichtung
herrscht. Die hier auf den Durchmesser wirkenden Anziehungskräfte sind offenbar
größer als die Anziehungskräfte zwischen dem induzierten Stromkreis an sich und
dem induzierenden Stromkreis. Der induzierte Strom wird auf diese Weise nicht, wie
sonst üblich, an die Werkstückoberfläche gedrängt, sondern gegen die Mitte gezogen,
2. ist aber außerdem offenbar bei den geringen Werkstückabmessungen nicht genügend
Masse für eine Wärmeableitung vorhanden. Das bedeutet, daß im Verhältnis weit mehr
Werkstoff auf Abschrecktemperatur gebracht wird, als dies sonst der Fall ist, denn
es besteht zum Kern hin nicht genügend Raum für einen hinreichenden Temperaturabfall.
Da die Art der Temperaturverteilung im Werkstück an die im einzelnen Fall an sich
festliegenden Abmessungen gebunden ist, könnten die bestehenden Schwierigkeiten
nur durch elektrotechnische Maßnahmen beseitigt werden. Da es sich aber auch hier
um Wechselwirkungen handelt, die durch die im Einzelfall vorliegenden Betriebsgrößen
bestimmt sind, ist auch dieser Weg nicht gangbar.
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Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß die Anwendung eines
Mittels, das bisher bei der Behandlung von zylindrischen Körpern nur für große Abmessungen
für zweckmäßig gehalten wurde, die Lösung der gestellten Aufgabe gestattet. Sie
besteht in der Anwendung der an sich bekannten Leiterschleife im Umlaufverfahren.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, zum elektroinduktiven Oberflächenhärten
von zylindrischen Voll- und Hohlkörpern geringen Durchmessers bzw. geringer Wandstärke
mit einer an sich bekannten Heizleiterschleife im Umlaufverfahren zu erwärmen. Hierbei
muß planmäßig die Heizleiterschleife jeweils eingesetzt werden, wenn der Durchmesser
des zu behandelnden Werkstückabschnittes in Millimetern kleiner ist als der Wert
bzw. die Wandstärke eines Hohlzylinders kleiner ist als
(wobei f die angewendete Frequenz bedeutet) die Hälfte des Wertes. Liegt z. B. eine
Frequenz von io ooo Hz vor, so muß mit der Heizleiterschleife gearbeitet werden,
wenn die Werkstücke weniger als 15 mm Durchmesser bzw. weniger als 7,5 mm Wandstärke
aufweisen. Sinngemäß wird zu höheren Frequenzbereichen fortschreitend die Leiterschleife
erst einzusetzen sein, wenn die Werkstücke entsprechend geringere Abmessungen aufweisen;
bei niedrigeren Frequenzen muß die Umstellung auf die Leiterschleife bereits bei
vergleichsweise großen Werkstückabmessungen erfolgen.
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Planmäßig angewendet können auf diese Weise zylindrische Werkstücke
selbst geringsten Durchmessers bzw. geringster Wandstärke sicher auf eine oberflächlich
beschränkte Härtetemperatur gebracht werden. Es muß lediglich dafür gesorgt werden,
daß das Werkstück mit hinreichender Geschwindigkeit um seine Achse umläuft. Welche
Geschwindigkeiten im Verhältnis zur angewendeten Frequenz einzuhalten sind, ergibt
sich durch -wenige Stichversuche. Besitzt der zu härtende Werkstückabschnitt eine
größere axiale
Länge, als der Heizleiterschleife entspricht, so
kann, wie dies an sich bekannt ist, das Werkstück außer der Umlaufbewegung auch
noch eine Relativbewegung zum Induktor in axialer Richtung fortschreitend durchführen.
Die Heizleiterschleife kann, wie ebenfalls an sich bereits vorgeschlagen, mit einem
Magnetjoch aus geschichteten Eisenblechen versehen werden, um die Heizwirkung zu
vergleichmäßigen.
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Das Abschrecken zum Zwecke des Härtens erfolgt, nachdem der gesamte
im Wirkbereich des Induktors liegende Werkstückabschnitt auf Temperatur gebracht
ist. Wenn das Werkstück außer der Umlaufbewegung in Richtung der Achse eine Vorschubbewegung
ausführt, wird die Abschreckeinrichtung zweckmäßigerweise unmittelbar hinter der
Heizleiterschleife angebracht und das Abschrecken im fortschreitenden Verfahren
vorgenommen.