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Verfahren zum induktiven Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Oberflächenhärten von metallenen
Werkstücken, bei dem die Werkstücke mittels eines über einen Umrichter gespeisten
Hochfrequenzinduktors induktiv erhitzt und anschließend abgeschreckt werden, und
bezweckt eine weitere Verbesserung dieses Verfahrens. Die Erfindung besteht darin,
daß durch Beeinflussung der Steuergitter des Umrichters die Frequenz nach einem
bestimmten Fahrplan während des Erhitzungsvorganges geregelt wird, während gleichzeitig
die Spannung bzw. der Strom bzw. die Leistung ebenfalls durch Beeinflussung der
Steuergitter konstant gehalten werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Einzelheit
der Erfindung können auch die Spannung und/oder der Strom und/oder die Leistung
während des Erhitzungsvorganges durch Beeinflussung der Steuergitter des Umrichters
nach einem bestimmten Fahrplan geregelt werden. Beim Auftreten eines Kurzschlusses,
z. B. eines Sammelschienenkurzschlusses, kann der Umrichter gittermäßig bei Überschreitung
eines einstellbaren Strommaximalwertes gesperrt werden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Regelung der Betriebsgrößen
und der Betriebsdauer ohne komplizierte Einrichtungen erfolgt, wie z. B. umlaufende
Kontakteinrichtungen,
Zeitrelais od. dgl. Diese Einrichtungen haben noch den weiteren Nachteil, daß sie
bei nicht genügend feiner Einstellung zu unsicheren Härtungen führen und auch gewisse
zeitliche Streuwerte besitzen, die sich besonders dann unangenehm auswirken, wenn
die Erhitzungsdauer auf Zeiteinheiten abzugrenzen ist, die in der Größenordnung
der Eigenzeiten dieser Schalt- und Steuereinrichtungen liegen. Alle diese Ungenauigkeitsmomente
fallen bei der neuen Steuerung fort. Die Eigenzeit des Umrichters ist derart klein,
daß sie gegenüber dem Vorteil nicht von Bedeutung ist, den man dadurch erreicht,
daß man mit äußerst einfachen, leistungsschwachen und daher eine geringe Trägheit
aufweisenden Steuer-und Regeleinrichtungen auskommt. Es gelingt dabei, die Eigenzeiten
von Steuer- und Regeleinrichtung einerseits und Umrichter andererseits bzw. die
Streuungen ganz wesentlich kleiner zu halten als bei den bekannten Einrichtungen,
bei denen die Steuer- und Regeleinrichtungen insbesondere für die Erhitzungsdauer
zwischen Hochfrequenzerzeuger und Induktorspule angeordnet sind.
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Hierdurch gewinnt die Benutzung von Umrichtern zum induktiven Oberflächenhärten
praktische Bedeutung und vermag sich gegenüber den an sich robusten umlaufenden
Generatoren in der Praxis durchzusetzen. Bei Benutzung der Gittersteuerung fallen
Frequenzschwankungen fort, die bei Maschinenaggregaten infolge des Schlupfes des
Antriebsmotors auftreten.
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Besonders vorteilhaft ist jedoch bei Benutzung der Erfindung, daß
sie bei dem Anstreben eines stetigen Überganges zwischen der gehärteten Oberflächenschicht
und dem verhältnismäßig weichen Kern der Umrichter in einfachster Weise eine Veränderung
der Frequenz innerhalb der erforderlichen kurzen Zeit von wenigen Sekunden gestattet.
Es entfallen auch die bei einem Maschinensatz notwendigen Reihenkondensatoren, was
bei einer Frequenzänderung besonders wichtig ist, da hierbei auch der Kondensator
geändert werden müßte. Schließlich ist eine Regelung in Abhängigkeit von Strom,
Leistung oder Temperatur beim Umrichter in einfachster Weise trägheitslos möglich.
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Es war bekannt, Stromrichter zum Speisen von Induktionsöfen zu benutzen,
bei denen die zeitliche Dauer der Erhitzung nicht von so ausschlaggebender Bedeutung
ist wie beim induktiven Oberflächenhärten. Es ist auch die Änderung der Frequenz
bei Induktionsöfen für einen ganz anderen Zweck bestimmt als beim induktiven Erhitzen.
Während nämlich bei einem Induktionsofen die Frequenzänderung meist zur Veränderung
der Badbewegung erfolgt, wobei der Zeitfaktor nicht von ausschlaggebender Bedeutung
ist, soll die Frequenzänderung beim induktiven Oberflächenhärten zeitmäßig außerordentlich
genau sein, auf eine sehr kurze Zeit beschränkt bleiben und eine sehr wesentliche
Beeinflussung des Verlaufs der Härteschicht in die Tiefe des Werkstücks hinein verursachen.
Die Aufgaben sind somit bei Ofen und beim Oberflächenhärten ganz verschieden. Die
Frequenzänderung nach einem bestimmten Fahrplan beim induktiven Oberflächenhärten
hat eine entsprechende Änderung der Härtetiefe und der Übergangshärte zur Folge,
insbesondere dann, wenn der zu härtende Körper am Induktor vorbeibewegt wird. Die
trägheitslose und sehr kurzzeitige Frequenzänderung kann beispielsweise dann mit
großem Vorteil ausgenutzt werden, wenn das Werkstück an einzelnen Stellen verschieden
tief gehärtet werden soll. Eine Herabsetzung der Frequenz stetig oder sprungweise
während des Erhitzens bewirkt auch, daß das Übergangsgefüge zwischen gehärteter
Schicht und dem auch weichen Kern breiter wird, d. h. also, daß der Übergang zwischen
Härteschicht und Kern weniger sprunghaft verläuft, so daß die Gefahr eines Ablösens
der gehärteten Schicht vom Kern vermieden wird. Umgekehrt könnte man durch eine
Erhöhung der Frequenz während des Erhitzens eine Verschmälerung des Übergangsgefüges
erreichen. Die Erfindung gibt somit die Möglichkeit, sowohl bei den größten als
auch bei den kleinsten Werkstücken jede erforderliche Härtetiefe, jede erwünschte
Übergangsschicht und jede gewünschte Veränderung dieser beiden Größen nach Belieben
zu erzielen.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Von einem Drehstromnetz S, R, T wird der Primärteil II des Umrichtertransformators
z gespeist, dessen Sekundärteil 12 mit dem gittergesteuerten Stromrichtergefäß 2
verbunden ist. 3 ist eine Induktivität, 4 ein den Härteinduktor speisender Transformator,
5 die Kommutierungseinrichtung des Umrichters, 13 ist ein den Transformator 4 mit
dem Induktor verbindender Schalter, 6 ist eine den Induktor als Primärteil speisende
Spule, 14 ist ein zur Verbesserung des Leistungsfaktors dienender Kondensator, 15
ist der Induktor und 16 das von dem Induktor umschlossene Werkstück, dessen Oberfläche
gehärtet werden soll, 7 ist ein Spannungs-, Strom- oder Leistungsregler, während
17 ein Gittersteuergerät des Umrichters ist. Mittels dieser beiden nicht näher veranschaulichten,
an sich bekannten Einrichtungen kann das Steuergitter des Stromrichtergefäßes so
beeinflußt werden, daß das Zuschalten und Abschalten des Stromes, das trägheitslose
Regeln nach einer Betriebsgröße und das trägheitslose Frequenzändern zuverlässig
und einwandfrei durchgeführt werden können.
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Um beim Auftreten eines Kurzschlusses, beispielsweise Sammelschienenkurzschlusses,
den Heizstrom trägheitslos abzuschalten, werden mittels des Stromwandlers 2o über
ein Steuergerät 21 die Gitter des Umrichtergefäßes 2 so beäufschlagt, däß beim Überschreiten
eines einstellbaren Maximalwertes eine sofortige Sperrung der Gitter erfolgt.