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Vorrichtung für das elektroinduktive Aufheizen metallischer Werkstücke
Es .ist bekannt, sich für das elektro-induktive Aufheizen; metallischer Werkstücke
hochfrequenzgespei,ster Geräte zu bedienen, die entweder die Form einer Spule, die
ein- oder mehrwindig das Werkstück umfaßt, oder die Form einer Leiterschleife aufweisen,
die sich über der Oberfläche d es zu erhitzenden. Werkstückes schließt. Je nach
dem Verwendungszweck sind diese Spulen und Leiterschleifern ihrer äußeren Gestalt
nach abgewandelt worden, um den; jeweiligen Betriebsbedingungen genecht zu werden,
so beispielsweise auch, um ,bei der Erwärmung nur Teile des Gesamtwerkstückes zu
erfassen. Das Erhitzen selbst ist dabei auch mit den verschiedensten Zielen angewendet
worden, so z. B., um :durch nachfolgendes Abschrecken eine Härtung des gesjamten
Querschnittes (der Werkstücke oder nur der Oberfläche b.zw. bevorzugter Telle der
Oberfläche durchzuführen, ferner für Zwecke des Glühens und Entspa.nnens u. d:gl.
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Im Laufe der Entwicklung der Vielzahl von Einzelgeräten der erwähnten
Art ist der Art der Verbindung der eigentlichen Heizleiter mit der Stromquelle nur
wenigBeachtunggeschenktworden, und sie erschöpfte sich ,meist darin, daß die bei-den
erforderlichen Zuführungsschienen hinreichend gegeneinander isoliert waren und daß
die Einleitung des Stromes in die Spule oder Heizleiterschleife erfolgte, .ohne
zu Störungen der Verteilung der induzierten Ströme im Werkstück und damit der Heizwirkung
Veranlassung zu gelben.
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Es hat sich nun gezeigt, daß durch eine geeignete Anordnung und Ausbildung
der Zuleitungen wenigstens auf einern Teil der Strecke zwischen eigentlichem Heizleiber
und Stromquelle eine
wesentliche Steigerung des elektrischen und
thermischen erzielt werden kann, und zwar :gilt .diese Feststellung sowohl für Aufheizverfahren,,
bei :denen eine.Relativbewegung zwischen Heizeinrichtung und Werkstück nicht stattfindet
als auch für solche, bei .denen, eine solche Relativbewegung durchgeführt wird.
Die Erfindung besteht arin, @daß die Verbindung des Heizleiters mit der Stromquelle
aus zwei je an einen Pol der Stromquelle angeschlossenen: Leiterringen besteht.
Die von :diesen Leiterringen umschlos=senen Flächen sollen mit der Längserstreckung
des jeweiligen Heizleiters einen Winkel einschl=ießen, der vorzugsweise goi°' beträgt.
Dabei: ist es nicht erforderlich, daß die Leiterringe in jedem Falle Kreisform aufweisen;
sofern ein geschlossener Ring bestehen bleibt, kann die; äußere Gestalt auch von
-der Kreisform abweichen. Eine solche Vorrichtung ist geeignet zum Aufheizen metallischer
Werftstücke, wie beispielsweise Wellen, Zapfen, Nocken, Lagerringe, Schienen, Führungsleisten,
Gleitbetten u. dgl. Auch können einzelne ;Abschnitte solcher Werkstücke :gesondert
erhitzt wer=den, und in vielen Fällen ist es nur unter Anwentdung einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung möglich, besonderen, technischem; Anforderungen bezüglich der
Ausbildung .der zu erhitzenden Zonen gerecht zu werden. Die durch eine derartige
Anordnung eines Hei.zleiters mit leiterringförmigem Anschlüssen ;an die Stromquelle
erzdelteSteigerunig des elektrischen. und thermischen Wirkun=gsgrades macht es möglich,
bei gleicher Heizwirkung, verglichen mit bekannten Vorrichtungen, eine Energiequelle
geringerer Le=i=stung zu benutzen, so daß si=ch eine erheblicbe Kostenersparnis
ergibt.
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Nach der Erün@dung ist es weiterhin möglich, mehrere über verschiedenen
Teilen ,.der Oberfläche eines Werkstückes angeordnete Heizleiter vorzusehen, um
beispielsweise verschiedene Zonen des Werkstückes zu erhitzen. In einem s=elchen
Falle werden die Heizleiter von mehr als zwei Ringzuführungen gespeist und so angeordnet,
daß jeweils zwischen zwei aufeinanderfolg enden, an verschiedene Pole der Stromquelle
angeschlos,sene.n Ringen je ein solcher Heizleiter liegt. Es :ist fernerhin .möglich,
um besonderen Heizbedingungen gerecht zu werden, zwischen je zwei an verschiedene
Pole angeschlossene Ringe zwei odermehrere Heizleiter zu le=gen. Im letztgenannten,
Falle ist es dann zweckmäßig, jeden Ring mit mehreren Zuleitungen von der Stromquelle
zu versehen. Die Anzahl dieser Zuleitunigen soll dabei der Anzahl der angeschlossenen
Heizleiter entsprechen. !, DieZuleiterrimge werden Im :allgemeinen: und insbesondere
dann" wenn die zu behandelnden Werkstücke große Längsabmessungen haben, wie beispielsweise
Wellen od..d,gl., das Werkstück umfassen. Es ist di=es :aber kein Erfordernis; sie
können vielmehr während des Heizvorganges .auch seitlich der Werkstückenden liegen.
In den meisten- Fällen wird es aber nicht zu vermeiden. sein, daß .das Werkstück
entweder vor Beginn :des; Aufheizvorganges oder auch noch während seiner Dauer wenigstens
durch einen der Zuführungsringehindurchgeschoben wird. Wenn es sich dabei um Werkstücke
mit sperrigen Formen oder um Ringe handelt, so müssen ,die Zuführungsringe ein-
oder mehrfach geteilt sein, damit sie für das Durchlassen ,des Werkstückes aufgeklappt
werden können.
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In: Verbindung mit dem. Heizleiter können alle diejenigen Maßnahmen
angewendet werden, die an sich bekannt oder bereits vorgeschlagen sind und diebeispielsweise,demAbsch,recken
desWerkstückes ,dienen, um Härtungen hervorzurufen. Der Leiter selbst kann gekühlt
sein u.,dgl. Es, könnten auch Mittel vorgesehen werden, um ei=ne Konzentration der
induktiven Wirkung hervorzurufen, inde=m nach einem älteren; Vorschlag Joche ,aus
magnetischem Werkstoff vorgesehe=n werden, die den Heizheiter teilweise umfassen.
Die ringförmig geschlossenen Zuführungs=lei=ber werden; mit .solche :aus lamellierten
Eisenblechen oder aus, s:ogenannter Masse hergestellten Jochen. im allgemeinen nicht
zu versehen sein. Es kann jedoch in, manchen Fällen zweckmäßig sein, wenigstens
,auf Teilahschnitten der Zuführungsleiter solche Joche .anzuordnen, und zwar dann,
wenn die Stromverteilung in den einzelnen Albschnitten: ,der ringförmigen Leiter
ungleichmäßig ist. Es hat sich. nämlich herausgestellt, daß eine gleichmäßige Stromverteilung
von Vorteil ist, und dies kann durch das Aufsetzen solcher Joche erreicht werden,
indem .die Induktivität :der Leiter hierdurch v erändert und damit der Scheinwiderstand
der einzelnen Abschnitte .aneinander angeglichen wird. Das Gleichmaß der Stromverteilung
kann aber auch :durch entsprechende geometrische Ausbildung der Ringet gewährleistet
werden.
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Es wird ani Hand der Zeichnungen, die einige Ausführungsformen der
Erfindung darstellen, der Erfindungsgedanke näher erläutert.
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Ab:b. z zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß
der Erfindung zum Behandeln der Keilnut einer Welle. Die Welle i ist mit einer Keilnut
:2 versehen, in welcher ein Keil gleitet und die entsprechend einer Oiberflächenhärtrung
unterzogen werden soll, wie :in Abb. 2, die einen senkrechten Schnitt durch Abib.
i darstellt, durch :die gestrichelte Linie bei 2' an=gedeutet. Während der Behandlung
wird die Welle i in Richtung des Pfeiles 3 durch ,das schematisch. dargestellte
Härtegerät hindurch bewegt. Zur Vereinfachung der Darstellung und um die Übersichtlichkeit
nicht zu stören, sind die Abschreckvorrichtun:gen, die Blechpakete (Joche) Zuführungsflansche
usw. fortgelassen. Der eigentliche Heizleiter q. wird über die beiden ringförmig
geschlossenen Zuführungsleiter 5 und 6 von den Ans.chlußstellen 7 und S ans gespeist.
Der Stromfluß in einem bestimmten; Augenblick ist durch diePfeileangedeutet. Zw
eckmäßi=g wird dafür Sorge betragen, .daß in .den Teilen 6 und 6' bzw. 5 und 5'
der ringförmig geschlossene Zuführungsleiter gleiche Stromstärken herrschen. Dies
kann durch rein ge=ometrische Gestaltung der ringförmigen Zuführungsleiter erre=icht
werden. Die Vergleichrnäßigung :der Stromstärken kann aber auch erzielt werden,
indem über :den ringförmi=gen
Zuleitungen P,alcete aus lamellierten
Blechen, d. h. also Joche bestimmter Größe undAbmessungen vorgesehen werden. Infolge
der in der schematischen Darstellung ,der Abb. i erkennbaren Ausbildung der ringförmigen
Leiter wird der Wirkungsgradfür den Bereich, des Heizleiters 4 erheblich gesteigert.
Besonders vorteilhaft ist die durch die ringförmigen Zuführungsleiter erzwungene,
völlig gestreckteAusbildung .der Aufheizzone unter dem Heizleiter 4.
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Die Anwendung von Vorrichtungen gemäß der Erfindung ist nicht beschränkt
auf die Behandlung derart einfacher Körper wie einer Welle od. dgl. gemäß ',Abb.
i, vielmehr können auch gerade Körper besonders verwickelter Form mit Vorrichtungen
gemäß der Erfindung mit Erfolg behandelt werden, wobei Ergebnisse erzielt werden,
.die. mit bisher bekannten oder bereits vorgeschlagenen Vorrichtungen nicht möglich
waren.
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In Abb. 3 Üt beispielsweise der Fall,der Härtung einzelner bevorzugter
Stellen eines Kugellagerringes ;behandelt. Um. dieDarstellung ,zuerleichtern, ist
der Lagerring g gestrecktdargestellt. Die Stellen io' .und io" sind die Laufflächen
für die; Kugeln, und müssen einer Härtung unterzogen werden. Hierzu wird das Werkstück
9 in Richtung des Pfeiles i2 ,durch ,das schematisch dargestellte Härtegerät bewegt.
In diesem Falle sind drei ringförmig geschlossene Zuführungsleiter 13, 14
und 15 vorgesehen, ,die an den Stellen 16 :bzw. 17 mit der speisenden Stromquelle
verbunden, werden. Es werden hierbei die Punkte 16 .an einen Pol der Stromquelle
gelegt und der Punkt: 17 mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden. Die
ringförmig geschlossenen Zuführungsleiter 13 und 14 sind durch den Heizleiter 18'
miteiniander verbunden:. Dieser Heizleiter erstreckt sich über die Kugellauffläche
iö . Die beiden ringförmig geschlossenen Zuführungsleiter 14 und 15 sind über den
Heizleiter 18" verbunden- Dieser Heizleiter erstreckt sich über der Kugellauffläche
io". Die in einem bestimmten Augenblick auftretenden Stromrichtungen sind durch
entsprechende Pfeile gekennzeichnet. In dem :dargestellten Beispiel sind die- zur
Härtung erforderlichen Abschreckeinrichtungen fortgelassen. Auch die in diesem Fall
zweckmäßig zur Verwendung kommenden Blechpakete oder Massejoche sind nicht dargestellt,
die nicht nur über den eigentlichen Heizleitern, sondern auch über den ringförmig
geschlossenen Zuführun;gsleiternangeordnetsein können; ,denn gerade. im vorliegenden,
Fall wird es sich als notwendig erweisen, den Scheinwiderstand in den Ringen gleich
groß zu gestalten, um gleich große Stromstärken, in allen Abschnitten azu gewährleisten.
Es. kann aber natürlich auch diese Vergleiehmäßigung der Stromstärke durch andere
Mittel erzielt werden, die ,dem Fachmann geläufig sind, .so beispielsweise, indem
die Wege von derAnischlußstelle des Heizleiters bis zur Ansehlußstelle der eigentlichen
Stromzuführungen gleich groß gehalten werden.
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Um die Darstellung zu erleichtern., wurde, wie bereits erwähnt, in
,der Abh. 3 der Körper 9 gestreckt dargestellt. Da er aber in Wirklichkeit ein geschlossener
Ring ist, wäre es nichtmöglich, d.ie ringförmigen Zuleter 13, 14 und 15 aufzuschieben.
Diese Ringe werden daher geteilt und aufklappbar gestaltet, so daß sie im aufgeklappten
Zustand, über ,den Ringumfang geschoben werden können, um dann für den Heizvorgang
wieder geschlossen zu werden. Eine solche Teilbarkeit der ringförmigen Zuführungen
empfiehlt sich überall dort, wo es .sich um ähnliche Fälle handelt oder um Werkstücke
mit sperrigen Formen. Die Ringe können zwei- oder mehrteilig ausgebildet werden,
und es iist zweckmäßig, bei zweiteiliger Ausbildung ,die Trennstelle in den unterem,
Teil der ringförmigen Zuführungen zu legen.
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Die in Abb. 2 und. 3 dargestellten Anwendungsbeispiele sehen eine
Längsbewegung zwischen Härtegerät und Werkstück vor, wobei nur ein geringer Teil
der Oiberflächei einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll. Naturgemäß ist es
auch möglich, derartige Vorrichtungendort anzuwenden, wo es sich darum: handelt,
den gesamten Umfang beispielsweise einer zylindrischen Werkst ückoberfläche einer
Behandlung zu unterziehen. In. diesem Fall wird dem Werkstück eine Rotationsibewegung
erteilt, so daß alle Oberflächenteile gleichmäßig unter die Einwirkung des Heizleiters
gelangen. Auch in diesem Fall bleibt der besondere Vorteil der Erfindung erhalten.,
daß ider Wirkungsgrad für den oder die Heizleiter durch die Anordnung der ringförmigen
Zuleitungen !besonders gut ist.
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Abb.4 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß der
Erfindung in Anwendung auf .die Wärmebehandlung, beispielsweise die Oberflächenhärtung
eines Kurbelw ellenzapfens. Das Werkstück i9 wird während der Behandlung in Richtung
des Pfeiles, 2o gedreht. Die bei-den ringförmigen Zuleitungen 2,i und 22, ibefinden
sich an den Wangenseiten des zu behandelnden Kurbelvvellenzapfeus und sind, um .sie
auf den Zapfen aufschieben zu können, geteilt auszuführen. Über den Heizleiter 23
sind die beiden Zuleitungen miteinander verbunden. Der Anschluß an ,die Stromquelle
in,diesem Ausführungsbeispiel erfolgt so, daß der ringförmig geschlossene Zuführungsleiter
zi unmittelbar über eine Stromschiene 25 an die Stromquelle angeschlossene wird,
während der ringförmig geschlossene Zuführungsleiter 22 über einen weiteren Heizleiter
24, der dem Heizleiter 23 um etwa i8d° versetzt gegenübersteht, an die Stromschiene
26 gelegt ist. Die Stromrichtung, die innerhalb einer Periode des Wechselstromes
in der Vorrichtung herrscht, ist durch Pfeile angedeutet. Der Vereinfachung halber
sind Abschreckvorrichtungen und sonstige Zubehörteile der, Vorrichtung fortgelassen,
-desgleichen die Joche. Mit einer Vorrichtung dieser Art gelingt es, einen Kurbel-welle.nzapfen
besonders wirtschaftlich auf die für das Härten erforderliche Temperatur zu bringen.
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In Abb. 5 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfin dung gezeigt, die mit
Vorteil :benutzt werden kann, um einen auf einer Welle 27 befestigten Steuernoclcen28
zu erhitzen. Die Stellen29' unid 2@9" sollen mit einer schraffiert angedeuteten
Härteschicht versehen
werden. Zu diesem Zweck sind insgesamt vier
Heizleiter vorgesehen, und zwar die Heizleiter 30' und 3ö' für die NTockenspitze
2,9' und,die Heizleiter 3 i' und 31" für die Nockenspitze 2,9". Die Stromzufuhr
zu :diesen; Heizleitern erfolgt über .die ringförmig geschlossenen Zuführungsleiter
32 und 33. Mit der Strennquelle sind diese Zuführungsleiter durch V-förmige Stromverteilungsstücke
34@und 34" bzw. 3:5' und 35" verbunden. Die V-förmigen;Stromverteilungsstücke führen
zu den Anschlußschiencn 36 b.zw. 37. Die Stromrichtung innerhalb einer bestimmten
Periode .des Wechselstromes ist durch Pfeile ;gekennzeichnet. Mit Hilfe einer solchen
Vorrichtung ist es. möglich, die Heizwirkung und damit die durch nachfolgendes Abschrecken,
hervorgerufene Härtewirkung auf die Nockenspitzen zu beschränken ,und diese in besonders
wirtschaftlicher Form zu behandeln.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 5 sind vier Heizleiter dargestellt.
Es können aber auch, wenn die Heizbedingungen ;dies zweckmäßig erscheinen lassen,
mehr als vier Heizleiter Verwentdung finden. Da es in allen Fällen auch hier darauf
ankommt, den Stromfluß in Iden ringfärrni@gen Zuleitungen :möglichst gleichmäßig
,zu gestalten, znuß im gegebenen Fäll durch einige Stichversuche ermittelt werden,
wie die Anschlüsse im Verhältnis zu ider Lage der einzelnen. Heizleiteranschlüsse
gelegt werden. Die Vergleichmäßigung des Stromflusses wird :dabei erreicht, indem
entweder die Stromweglängen gleichgestaltet werdenoder indem die Induktivität :der
einzelnen Leiterabschnitte beeinflußt wird. In manchen Fällen dagegen kann es aber
auch zweckmäßig sein, in den einzelnen Leitern, die Stromdichte verschieden zu wählen.
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Die in den einzelnen Abbildungen dargestellten Ausführungsibe.,ispiele
erschöpfen idie Möglichkeit der Anwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
nicht. So können beispielsweise auch Schienen, Führungsleisten, Gleitbetten, Zahnräder
oder ähnlich geartete Werkstücke .behandelt werden. Auch in Verbindung mit .der
Herstellung von Lagern, insbesondere Verbundgußlagern, ist .die Anwendung von Vorrichtungen
gemäß der Erfindung zweckmäßig.
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In der gesamten Beschreibung ist von dem üblichen Fall .ausgegangen,
daß die Hochfrequenrzstromquelle zwei Pole besitzt. Es ist aber auch denkbar, mit
einer Stromquelle zu arbeiten, die drei oder mehr Phasen besitzt. In einenn .solchen
Fall werden: aufeinanderfolg ,ende Zuführungsleiterringe jeweils mit einem anderen
Pol der Stromquelle verbunden und @d@ie Vorrichtung im übrigen sinngemäß so gestaltet,
wie .dies für den Anschluß an zweipolige Stromquellen beschrieben worden ist.