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Vorrichtung zum einseitigen elektroinduktiven Erhitzen von Werkstücken
Zum elektroinduktiven Erhitzen von Werkstücken werden u. a. Induktoren in Form von
Leiterschleifen benutzt, die sich über der Werkstückoberfläche schließen. Diese
Leiterschleifen werden mit einem Wechselstrom geeigneter Frequenz gespeist und über
die Abschnitte des Werkstückes hinweggeführt, die einem Oberflächenerhitzen unterworfen
werden sollen. Solche Einrichtungen werden vornehmlich zum Zweck des Oberflächenhärtens
benutzt. Sie können aber auch verwendet werden für Erwärmungen, die mehr oder minder
das ganze Werkstück erfassen und die auch anderen Zwecken als dem Härten dienen.
Die Leiterschleifen selbst können die verschiedensten Formen aufweisen, beispielsweise
mehrere Hin- und Rückleiter besitzen, so daß Mehrfachschleifen entstehen, wobei
diese Schleifen gleich groß sein können, nebeneinander liegen oder gegeneinander
verschoben oder auch verschieden groß sein können u. dgl.
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Bei solchen Heizleiterschleifen, die sich praktisch beim elektroinduktiven
Aufheizen von Werkstücken bewährt haben, zeigt sich vielfach eine unerwünschte Erscheinung,
die darin besteht, daß das aus magnetischem Werkstoff bestehende Werkstück und gegebenenfalls
auch die Heizgeräte selbst während der Behandlung in Schwingungen geraten, deren
Frequenz abhängt von der Frequenz, mit der die Leiterschleife gespeist wird. Der
Ausschlag der Schwingungen richtet sich ebenfalls nach der
Frequenz,
mit der die Leiterschleife gespeist wird, und außerdem werden die Schwingungen beeinflußt
von der gegenseitigen Anordnung von Heizgerät und Werkstück sowie von der gewählten
Stromstärke. Auch die Ausbildung des Werkstückes selbst, wie beispielsweise große
Länge, und die Form des Heizgerätes können die Stärke und die Art der Schwingungen
beeinflussen. In besonders starkem Maße werden diese Erscheinungen beobachtet, wenn
die Frequenz vergleichsweise niedrig ist.
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Die infolge der magnetomechanischen Kräfte auftretenden Schwingungen
führen zu einem dauernden Wechsel des Kopplungsspaltes. Hierdurch wird das Erhitzen
in einer nicht übersehbaren Weise becinflußt. Um diese unerwünschten Wirkungen der
Schwingungen möglichst einzuschränken, wurde bisher so verfahren, daß das Werkstück
auf einer Unterlage genügender Stärke aufgeschraubt, mit Klammern festgespannt oder
in ähnlicher Weise während der Behandlung befestigt wurde. Außerdem wurde das Heizgerät
in Vorrichtungen eingespannt, die besonders stark ausgebildet waren, damit die auftretenden
magnetischen Kräfte und Schwingungen aufgenommen werden konnten. Diese Maßnahmen
haben den Nachteil, daß .sie vor Beginn der Behandlung zusätzliche Handgriffe erfordern.
Darüber hinaus aber ergeben sich Schwierigkeiten, wenn die Werkstücke während der
Behandlung dazu neigen, sich zu verziehen, denn die durch den Verzug hervorgerufenen
Kräfte sind vielfach so stark, daß die Klammern, Verschraubungen od. dgl. gesprengt
und somit die den Schwingungen und magnetomechanischen Kräften entgegenwirkenden
Befestigungen unwirksam werden. Außerdem wird das Bedienungspersonal gefährdet.
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Gemäß der Erfindung sollen diese Schwierigkeiten beim einseitigen
elektroinduktiven Erhitzen von Werkstücken, wie Blechen, Platten, Schienen od. dgl.,
mit Heizleiterschleifen beseitigt werden. Hierzu wird vorgeschlagen, zur Unterdrückung
oder Beseitigung von Rüttelschwingungen im Werkstück an der der aufzuheizenden Werkstückseite
abgekehrten Fläche ein dem heizenden Magnetfeld entgegengerichtetes, Hilfsmagnetfeld
gleicher Frequenz zu erzeugen. Durch die Maßnahme werden die Schwingungen und die
anziehenden oder abstoßenden Kräfte, die bei Anwendung nur eines ausschließlich
dem Heizen dienenden Magnetfeldes auftreten, völlig ausgeschaltet. Das entgegengerichtete
Hilfsmagnetfeld übt gleich große magnetische Kräfte aus wie das eigentliche Heizfeld,
und infolgedessen heben sich die magnetodynamischen Wirkungen beider Felder auf.
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Um das Verfahren auszuüben, können verschiedene Vorrichtungen benutzt
werden. So kann das Heizgerät so ausgebildet werden, daB außer der Heizleiterschleife,
die dem Erhitzen dient, auf der entgegengesetzten Seite des Werkstückes- eine Hilfsschleife
vorgesehen wird, die mit einem Strom gleicher Frequenz gespeist ist. Es kann ferner
zweckmäßig sein, die Heizleitersehleife der aufzuheizenden Werkstückseite gegenüber
mit Magnetjochen aus. geschichteten Blechen oder Masse zu versehen, um die Heizwirkung
zu verstärken. Um zu vermeiden, daß die Werkstückrückseite unerwünschterweise aufgeheizt
wird, kann die hier anzuordnende Heizleiterschleife mit einem großen Leiterquerschnitt
ausgerüstet werden. Es kann aber auch so verfahren werden, daß für die Hilfsleiterschleife
ein größerer Kopplungsabstand gewählt wird als für die eigentliche Heizleiterschleife:
Auch die Hilfsschleife kann mit Magnetjochen versehen werden. Jedoch müssen diese
andere Abmessungen besitzen als diejenigen der Heizleiterschleife, um zu verhindern,
daß ein unerwünschtes Aufheizen stattfindet. Zur Unterstützung der Wirkungen, die
die beschriebenen Maßnahmen ausüben, kann auch die Stromaufnahme der unteren Hilfsleiterschleife
einstellbar gestaltet werden, was durch Vorschaltwiderstände, Drosselspulen oder
zugeschaltete Kapazitäten geschehen kann. Ein weiteres Mittel, um ein Aufheizen
durch die Hilfsleiterschleife zu vermeiden, besteht darin, das Werkstück im Wirkbereich
der Hilfsleiterschleife stark zu kühlen.
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Es wird an Hand einiger schematischer Darstellungen der Erfindungsgedanke
näher erläutert, wobei in den Abb. i bis 3; erforderliche oder zweckmäßige zusätzliche
Einrichtungen, wie Traggestelle, Kühlvorrichtungen, Magnetjoche ü. dgl., der Übersicht
halber fortgelassen sind.
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Das Werkstück i in Abb. i wird in Richtung des Pfeiles z unter der
Heizleiterschleife 3E mit ihren Ästen 3' und 31' hindurchgeführt. Die Heizleiterschleife
wird bei q, mit einem Wechselstrom geeigneter Frequenz gespeist. Erfindungsgemäß
wird gegenüber dieser Heizleiterschleife und der nicht aufzuheizenden Werkstückoberfläche
benachbart eine Hilfsschleife 51 mit den Ästen 5; und 5i' vorgesehen. Diese Schleife
wird bei 6 mit einem Wechselstrom gespeist, der die gleiche Frequenz besitzt wie
der Strom, mit welchem die Schleife 3 gespeist wird. Die Stromrichtungen in den
einzelnen Ästen der Heizleiterschleife und der Hilfsleiterschleife in einem bestimmten
Augenblick sind durch die Pfeilspitzen gekennzeichnet, und es ist ersichtlich, daB
die Ströme in einander gegenüberliegenden Ästen, beispielsweise in den Ästen 3"
und 5", entgegengesetzt gerichtet sind. Die beiden Heizleiterschleifen können parallel
oder in Reibe geschaltet sein, und dieHilfsschleife kann mit einem Vorwiderstand,
einer Drossel, einem Vorkondensator oder einer Kombination solcher Vorrichtungen
versehen sein, um die Stromaufnahme in der Hilfsschleife zu regeln. Die Einrichtung
kann auch so getroffen werden, daB die Hilfsschleife von einer gesonderten Wicklung
des Heiztransformators gespeist wird. Die Hilfsschleife könnte aber auch von einem
besonderen mechanisch öder elektrisch mit dem Heizgenerator frequenzgekuppelten
Generator gespeist werden, der beispielsweise in seiner Spanneng regelbar ist.
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Infolge der Anordnung werden die magnetomechanischen Kräfte, die von
den beiden Schleifen ausgehen, aufgehoben, so daß keine mechanischen
Schwingungen
entstehen können. Es, ist daher nicht notwendig, das Werkstück aufzuspannen, und
die Tragvorrichtungen für das Heizgerät und sonstige Teile der Maschine können wesentlich
schwächer gehalten werden, als dies bisher möglich war.
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An Stelle einer einfachen Heizleiterschleife, wie sie in Abb. i dargestellt
ist, können auch Mehrfachheizleiterschleifen verwendet werden. Dabei bleibt es den
Umständen des Einzelfalles überlassen, ob es zweckmäßig ist, als Gegenschleife ebenfalls
eine Mehrfachschleife zu verwenden oder eine Einfachschleife. Grundsätzlich besteht
auch die Möglichkeit, als Hilfsschleife eine Mehrfachschleife zu verwenden und die
eigentliche Heizleiterschleife als Einfachschleife auszubilden.
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In Abb. z soll das Werkstück i in Richtung des Pfeiles 2 fortschreitend
an der Oberfläche erhitzt werden. Für das Erhitzen ist die Heizleiterschleife 3
mit den Ästen 3' und 3." vorgesehen, die gegensinnig stromdurchflossen sind. Auf
der gegenüberliegenden Seite des Werkstückes i, das, im vorliegenden Beispiel eine
Platte darstellt, ist eine Spule 8 angeordnet. Diese Spule 8 besitzt eine Windungszahl,
die vorzugsweise größer ist als die Windungszahl der Heizleiterschleife 3. Die Stärke
des Stromes in der Spule 8 kann entsprechend der Windungszahl geringer als die des
Heizstromes sein.
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In dem Beispiel der Abb. a ist die Spule 8 auf einen Eisenkern 9 gewickelt.
Es ist aber auch möglich, auf den Eisenkern 9 zu verzichten. Während in der Abb.2
eine einzige Spule vorgesehen ist, kann es in manchen Fällen auch zweckmäßig sein,
mehrere Spulen vorzusehen, die quer zur Vorschubrichtung angeordnet werden.
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Die Form der Heizleiterschleife ist beliebig. Auch Mehrfachleiterschleifen
können verwendet werden, und es ist möglich, die Schleifen mit Magnetjochen zu versehen,
wenn dies erforderlich ist. In jedem Fall muß die Stärke des, Hilfsmagnetfeldes
auf die Stärke des um den Heizleiter aufgebauten Magnetfeldes eingestellt sein,
was im allgemeinen durch die Ausbildung und die Windungszahl erfolgt. Wenn erwünscht,
kann das Hilfsmagnetfeld auch regelbar sein, beispielsweise indem der Abstand zwischen
der Spule bzw. dem Spulenkern und der Werkstückrückseite veränderlich gemacht wird.
Eine regelbare Beeinflussung ist auch möglich durch einen veränderlichen Hilfsluftspalt
im Spulenkern. Außer diesen Mitteln können auch diejenigen angewendet werden, die
in Verbindung mit der Vorrichtung nach Abb. i beschrieben wurden, d. h. also Vorkondensatoren,
Vorwiderst.ände oder Drosseln.
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Abb.3' zeigt die Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung auf die
Behandlung einer Schiene. Die Schiene i wird in Richtung des Pfeiles 2 unter der
Heizleiterschleife 3 mit ihren Asten 3s' und 3" hindurchbewegt. Die Äste 3' und
3" sind entsprechend der Form des Schienenkopfes i' gekrümmt. Der Heizleiter wird
bei 4f mit einem Wechselstrom geeigneter Frequenz gespeist. Zum Ausgleich der entstehenden
magnetischen Kräfte ist die Spule 8 vorgesehen, die auf einen Kern 9 aufgesetzt
ist. Die Spule 8 wird bei io mit einem Strom gleicher Frequenz gespeist wie die
Heizleiterschleife 3. Die Schaltung der Spule 8 und der Heizleiterschleife 3, zueinander
erfolgt so, daß in jedem Augenblick die entstehenden magnetodynamischen Kräfte entgegengesetzt
gerichtet sind.
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Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen können überall angewendet
werden, wo Werkstücke einem einseitigen oder teilweisen Erwärmen unterworfen werden
sollen. Es ist hierbei auch gleichgültig, ob beim Erhitzen eine fortschreitende
Relativbewegung zwischen Heizgerät und Werkstück stattfindet. Wird eine solche fortschreitende
Relativbewegung nicht durchgeführt, so können die gleichen in Verbindung mit Abb.
i bis 3 beschriebenen Einrichtungen verwendet werden.
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Die Mittel, die gemäß der Erfindung zum Ausschalten der magnetomechanischen
Kräfte vorgeschlagen werden, sind derart wirksam, daß die Heizleiterschleifen selbst
mit einer Frequenz von 5o Hz betrieben werden können, ohne daß sich Schwierigkeiten
ergeben, die ein Aufspannen des Werkstückes oder eine besonders kräftige Ausbildung
der Einzelteile der Maschine erforderlich machen würden.
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Die Maßnahmen gemäß der Erfindung sind an Ausführungsbeispielen erläutert,
bei denen es sich darum handelt, langgestreckte Werkstücke zu erhitzen. Bei derartigen
Werkstücken wirken sich die Maßnahmen besonders stark aus, weil gerade Werkstücke
solcher Form erheblich dazu neigen, in Schwingungen zu geraten, wenn besondere Vorkehrungen
nicht getroffen werden. Die Anwendung der Maßnahmen ist aber auf langgestreckte
Werkstücke nicht beschränkt, da auch bei anders geformten Werkstücken die Neigung
besteht, in Schwingungen zu geraten, und auch bei diesen den magnetomechanischen
Kräften entgegengewirkt werden muß.