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Verfahren zum Einstellen einer bestimmten Behandlungstemperatur beim
elektroinduktiven Erhitzen Das elektroinduktive Erhitzen hat bekanntlich, verglichen
mit anderen Verfahren des Erwärmens, beispielsweise der Ofenerhitzung od. dgl.,
den Vorzug, daß die zu erreichende Temperatur verhältnismäßig genau eingehalten
werden kann und auch eine Temperaturstaffelung möglich ist. Allerdings ist die Regelung
selbst mit gewissen Schwierigkeiten verbunden, und es sind daher auch schon die
verschiedensten Vorschläge gemacht worden, wie die gewünschte Temperatur, ohne sie
zu über- oder unterschreiten, einzuhalten ist. Bekannt ist hier zunächst die Tatsache,
daß die Frequenz des induzierenden Stromes eine Rolle spielt. So weiß der Fachmann,
daß ein Werkstück verhältnismäßig großer Abmessung, das gleichmäßig durchwärmt werden
soll, mit verhältnismäßig niederer Frequenz behandelt werden muß, wenn die gewünschte
erhöhte Temperatur in tragbaren Zeiten überhaupt erreicht werden soll, und daß umgekehrt
Werkstücke geringer Abmessung mit hohen Frequenzen bearbeitet werden müssen, wenn
überhaupt eine Erwärmung eintreten soll. Es sind daher schon von jeher für einzelne
Werkstückabmessungen in grober Staffelung geeignete Frequenzen ausgesucht worden,
um die jeweils erwünschte Erwärmung durchführen zu können. Diese fast ausschließlich
aus wirtschaftlichen Erwägungen entspringende Anpassung der Frequenz an die Werkstückabmessung
ist aber im eigentlichen Sinne keine Temperaturregelung; denn mit
Hilfe
dieser Maßnahme war es bisher nicht möglich, bestimmte Temperaturen bei der Behandlung
von Werkstücken einzuhalten. Um eine Regelung zu erreichen, war man vielmehr im
Rahmen der einmal gewählten Frequenz auch noch genötigt, die im Werkstück erzeugte
Temperatur selbst zu regeln. Verhältnismäßig grob geschieht dies dadurch, daß das
Werkstück beobachtet und die Leistung abgeschaltet wird, sobald die gewünschte Temperatur,
zum mindesten an der Oberfläche, erreicht ist. Es ist auch schon versucht worden,
diese von Hand durchzuführende Regelung voll selbsttätig zu gestalten, wobei im
geeigneten Augenblick über Meßorgane und Relais die Leistung abgeschaltet oder gegebenenfalls
auch heruntergeregelt wurde. Ein vollkommen genaues Arbeiten ist auf diese Weise
nicht immer möglich und zudem ergeben sich besondere Schwierigkeiten, wenn die Fehler
der Bedienung durch selbsttätige Einrichtungen ausgeschaltet werden sollen; denn
die benötigten Vorrichtungen sind verhältnismäßig verwickelt und störanfällig.
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Die Erfindung beruht auf einer überraschenden Erkenntnis, die gestattet,
die Regelung der gewünschten Behandlungsendtemperatur beim elektroinduktiven Erhitzen
voll selbsttätig zu gestalten, und zwar mit einer Genauigkeit, die sämtliche bisher
bekanntgewordenen Verfahren übersteigt. Es wurde festgestellt, daß unerwarteterweise
bei einem bestimmten Werkstückquerschnitt eine bestimmte Frequenz zu einer bestimmten
Endtemperatur führt, die unter keinen Umständen überschritten werden kann, und zwar
auch dann nicht, wenn die Leistung nach erreichter Temperatur beliebig weiter zugeführt
wird. Trotz weiterer Leistungszufuhr bleibt das Werkstück konstant auf der für die
Frequenz bei dem vorliegenden Werkstückquerschnitt charakteristischen Temperatur
stehen.
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Es wurde früher angenommen,, daß die Temperatur, die bei einem bestimmten
Querschnitt und bei einer bestimmten Frequenz erreicht wird, abhängig ist von der
zugeführten Energie. Entsprechend wurde bisher meist durch Verändern des Energiewertes,
der dem beheizten Gut zugeführt wird, die Temperatur geregelt. Die Erfindung macht
diese Art der Regelung unnötig, wodurch sich eine erhebliche Vereinfachung der Verfahren
und der zur' Ausübung verwendeten Anlagen ergibt.
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Allerdings besteht eine gewisse Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften
des beheizten Werkstückes. Betrachtet man indes beispielsweise den Werkstoff Stahl
in seiner Gesamtheit, so ergibt sich zwar ein gewisser Einfluß der unterschiedlichen
elektrischen Leitwerte und Permeabilitäten auf die Erwärmungscharakteristik, die
jedoch in den einzelnen Stahlgruppen gering ist, so daß sie innerhalb der Gruppe
vernachlässigt werden kann.
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Auf Grund dieser Erkenntnisse wird gemäß der Erfindung eine bestimmte
Behandlungsendtemperatur beim elektroinduktiven Erhitzen, beispielsweise für das
Härten, Anlassen, Entspannen, Warmformgeben, Sintern oder Aufschmelzen von Metallen
oder Legierungen, eingestellt, indem unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften
eine genau definierte, vom Werkstoffdurchmesser abhängige Frequenz eingestellt wird.
Die Anwendung dieser Frequenz führt unabhängig von Leistung und Einwirkdauer selbsttätig
zu einer bestimmten, nicht überschreitbaren Temperatur.
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Das Verfahren arbeitet derart genau, daß es möglich ist, für eine
bestimmte Werkstoffgruppe Zahlentafeln aufzustellen, aus denen sich für jede Werkstoffabmessung
die Frequenz entnehmen läßt, die gewählt werden muß, um eine bestimmte, nicht zu
überschreitende Behandlungsendtemperatur zu erreichen. Um beispielsweise ein Werkstück
mit einem Durchmesser von 7 mm auf eine Behandlungsendtemperatur von 820° zu bringen,
muß bei einer bestimmten Anlage eine Frequenz von ioooo Hz gewählt werden. Um die
gleichen Werkstücke auf 75o° zu erwärmen, ist eine Frequenz von 3goo Hz erforderlich.
\Tach einem anderen Beispiel werden drahtförmige Werkstücke von 3 mm Durchmesser
bei i8ooo Hz auf 8oo° gebracht. Werkstücke aus dem gleichen Werkstoff mit 4.o mm
Durchmesser erwärmen- sich auf 500°, wenn Frequenzen von ioo Hz benutzt werden.
Dabei ist es gleichgültig, ob im Stillstand- oder im Vorschubverfahren gearbeitet
wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung macht allerdings ein Abweichen von
den bisherigen Erzeugeraggregaten erforderlich. Zwar ist es schon vorgeschlagen
-worden, Umrichter zu verwenden, die eine gewisse Abwandlung der Frequenzen gestatten.
Auch sind schon Anlagen vorgeschlagen worden, die Mischfrequenzen erzeugen, um gewisse
Temperaturstaffelungen im Werkstück hervorzurufen. Diese Einrichtungen sind aber
für die Temperaturregelung gemäß der Erfindung in ihrer Einstellbarkeit zu grob,
und im übrigen sind sie in der Praxis kaum benutzt worden, vielmehr hat man Erzeugeranlagen
bevorzugt, die entweder eine Änderung der Frequenz überhaupt nicht oder nur in äußerst
beschränktem Maße zuließen.
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Für die Durchführung der Erfindung müssen aber Geräte vorhanden sein,
die einen Wechselstrom stufenlos regelbarer Frequenz hervorzurufen gestatten. Geräte,
die eine solche stufenlose Regelung der Wechselstromfrequenz gestatten, sind an
sich aus anderen Gebieten der elektrischen Schwingungstechnik bekannt. Es können
Frequenzgeneratoren mit regelbarem Antrieb, frequenzgeregelte Röhrensender und in
gewissen Fällen auch Funkenstreckensender verwendet werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung verlegt mithin gewissermaßen die
Temperaturregelung in die Erzeugeranlage, wodurch die eigentliche Heizeinrichtung
besonders einfach und wenig störanfällig wird.