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Vorrichtung zum induktiven Erhitzen genuteter oder mit Hohlkehlen
versehener Werkstücke Es ist bereits bekannt, genutete Werkstücke, wie beispielsweise
genutete Ringe für Schaltgabeln, mit Induktoren aufzuheizen, die das Werkstück spulenförmig
oder in Form einer Heizleiterschleife ganz oder teilweise umfassen bzw. überdecken.
Das Aufheizen dient beispielsweise dem Zwecke, das Werkstück an der Oberfläche oder
auch durchgehend zu härten, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Solche Induktoren
werden jedoch auch für partielles Entspannen, Sintern, Schmelzen, Vergüten, Anlassen
usw. benutzt. Besonders wichtig ist es hierbei, die zugeführte Wärmemenge über den
beheizten Querschnitt des Werkstückes planmäßig zu verteilen und damit den Verlauf
der Temperaturerhöhung zu steuern, so daß beispielsweise beim Oberflächenhärten
nach dem Abschrecken die gewünschte Form der Härteschicht erzielt wird.
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Dieser Forderung kann bekanntlich genügt werden durch Formgebung der
Heizleiter; durch Staffelung der Aufheizzeit, durch Wahl geeigneter Frequenz. Es
treten jedoch bei diesen bekannten Mitteln im praktischen Betrieb Schwierigkeiten
ein.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe, die Heizwirkung zu beeinflussen,
durch eine neuartige
Anwendung und Anordnung der an sich bekannten
Magnetjoche, die auf die Heizleiter des Induktors aufgesetzt werden. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß beim induktiven Erhitzen genuteter oder mit Hohlkehlen
versehener Werkstücke im Umlaufverfahren die Wirkflächen der Magnetjoche längs der
Heizleiter der schleifen-oder spulenförmigen Induktoren sprunghaft oder stetig gegeneinander
versetzt und/oder unterschiedlich ausgebildet sind.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen, die einige Ausführungsbeispiele
schematisch darstellen, näher erläutert.
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Abb. i zeigt im Schnitt einen genuteten Ring i, dessen ringförmige
Nut oberflächengehärtet werden soll. Wird hierzu ein üblicher spulenartiger Induktor
vorgesehen, so erwartet der Fachmann eine Heizzone und dementsprechend eine Härteschicht,
die gemäß den gestrichelten Linien i' verläuft. Eine solche Heizzone stellt sich
jedoch nicht ein. Offenbar weil die induzierten Ströme bestrebt sind, auf Wegen
geringsten Widerstandes zu fließen, schließen sie sich etwa in der Mittelebene des
Heizgerätes, wie bei i" angedeutet. Es ist nun in solchen und ähnlich gelagerten
Fällen versucht worden, durch Gestaltung des Heizleiterquerschnittes eine andere
Verteilung der induzierten Ströme herbeizuführen, beispielsweise indem der Heizleiter
:2 rechteckig gestreckten Querschnitt erhielt. Hierdurch kann zwar eine günstigere
Verteilung des Stromes herbeigeführt werden, jedoch gelingt es nicht hierdurch,
ein Aufheizen der Begrenzungsflächen der Nut, d. h. also der Hohlkehle, z. B. gemäß
der Linie i', zu erzwingen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem auf einem Teil
des Umfanges des spulenförmigen Induktors ein Magnetjoch 3' nach Abb. 2, a, aufgesetzt
wird. Auf einen anderen Teil des Umfanges wird das gleichgeformte Magnetjoch 3"
um i8o° versetzt angeordnet, wie in Ab. 2, b, dargestellt. Je nach Breite der Nut
und nach Höhe ihrer Begrenzungsflächen sowie unter Berücksichtigung der gewünschten
Ausbildung der Erwärmungszone im übrigen kann in dem restlichen Gebiet ein Joch
3"' nach Abb. 2, c, vorgesehen werden. Die Wirkflächen der einzelnen Jochabschnitte
sind somit sprunghaft gegeneinander versetzt und jeweils auf andere Werkstückteile
gerichtet. Handelt es sich um völlig symmetrische Werkstücke mit Ringnut, so ist
zweckmäßig, den Heizleiter jeweils auf gleicher Länge mit Jochen nach Abb. 2, a,
und 2, b, zu bestücken. Der verbleibende Restabschnitt der Heizleiterlänge wird
sodann mit einem Joch nach Abb. 2, c, versehen. Auf diese Weise gelingt es, die
Hohlkehlen der Nut und die Hohlkehle selbst gemäß den Linien i' aufzuheizen, wenn
das Werkstück während des Heizens um seine Achse umläuft.
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Versuche haben ergeben, daß ein Verhältnis der einzelnen Jochabschnitte
a, b und c (Abb. 2) zueinander wie 40 zu 4o zu 2o, bezogen auf die Gesamtlänge
des Heizleiters, für manche Ringnutabmessungen ein günstiges Ergebnis zeitigt. Bei
sehr schmalen Ringnuten kann auch ein Verhältnis von 45 zu 45 zu io gewählt werden,
während bei breiteren Ringnuten ein Verhältnis von 35 zu 35 zu 30 angewendet werden
kann. Sind nun die Werkstücke unsymmetrisch, d. h. wird die Ringnut nicht von gleichen
Massen seitlich begrenzt, so kann es zweckmäßig sein, die Jochpakete a und
b verschieden groß zu machen, und zwar wird meist das Jochpaket geringerer
Länge der geringeren Masse zuzuordnen sein und umgekehrt.
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In allen Fällen braucht die Anordnung der Jochpakete und ihrer Wirkflächen
nicht sprunghaft zu wechseln, Der Wechsel kann vielmehr auch stetig erfolgen, beispielsweise
in Form von Schraubengängen, die ein- oder mehrfach den Heizleiter umfassen. Die
Schraubengänge können dabei auch verschiedene Steigungen aufweisen.
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Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist ferner das Erhitzen von Kurbelwellenzapfen,
Motorwellen mit Anlaufbunden, Steuerwellen u. dgl., bei denen ein- oder beidseitig
der zu behandelnden Lagerstelle Werkstückteile von der Wärmebehandlung miterfaßt
werden müssen.
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In Abb.3 und 4 ist der Vorgang an einem Kurbelwellenzapfen i i schematisch
dargestellt. Verwendet wird, wie an sich bereits vorgeschlagen, eine Heizleiterschleife,
die die Zapfenoberfläche nur auf einem Teil ihres Umfanges überdeckt. Die Heizleiterschleife
setzt sich aus den Ästen 12', 12", 15' und 15" zusammen und wird von der bei 13
angedeuteten Nieder-, Mittel- oder Hochfrequenzstromquelle gespeist. Während des
Aufheizens läuft das Werkstück um. Entsprechend dem oben Ausgeführten ist es besonders
schwierig, die Hohlkehlen einwandfrei zu erwärmen.
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Abb: 4 zeigt in zwei Schnitten a und b durch die Hohlkehlen mit den
Anlaufbunden 16 die Anwendung der Erfindung auf diesen Fall. Gegenüber der Hohlkehle
14 des Werkstückes i i befindet sich der Ast 12' der Heizleiterschleife. Dieser
ist auf einem gewissen Stück seiner Länge mit dem Magnetjoch 2o (Abb. 4, a) besetzt.
Ein weiteres Stück des Astes ist mit dem Magnetjoch 21 (Abb. 4, b) anderer Gestalt
versehen. Durch Verwendung des Magnetjoches 2o ergibt sich eine Heizwirkung, die
bei 17 und durch Verwendung des Magnetjoches 21 eine Heizwirkung, die bei 18 schraffiert
dargestellt ist. Während mit dem Magnetjoch 2o der Anlaufbund 16 nicht bis zur Bundkante
erwärmt werden kann, stellt das Magnetjoch 21 die gewünschte Erwärmung sicher, wie
durch die Schraffur bei i8 angedeutet. Indem die Längen der mit dem Magnetjoch 2o
bzw. 2i besetzten Astabschnitte gegeneinander abgeglichen werden, ergibt sich unter
Einbeziehung der Heizleiteräste 15' und 15" in der Gesamtwirkung ein Erwärmungsbild,
das durch die gestrichelte Linie ig in Abb. 4, a, angedeutet ist. Für Werkstücke
verschiedener Abmessungen sind lediglich einige empirische Versuche erforderlich,
um die günstigsten Formen des Heizleiters und der Magnetjoche bzw. deren Wirkflächenformen
festzulegen. Weiterhin kann durch gegenseitiges Abgleichen der Längen der Magnetjoche
2o
und 21 das Erhitzungsbild in jeder gewünschten Form beeinflußt werden.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt, sondern sie läßt sich grundsätzlich auch bei ähnlichen Aufgaben einsetzen.
Die beschriebene Wärmebehandlung ist bei diesen Werkstücken insbesondere für das
Oberflächenhärten von Bedeutung, um die Dauerwechselbiegefestigkeit zu erhöhen,
weil es so möglich ist, die Kerbwirkung zwischen gehärteter Zone und unbehandeltem
Kern in mechanisch nicht beanspruchte Gebiete zu verlegen. Die Vorrichtung gemäß
der Erfindung bietet hierzu erstmalig die Möglichkeit.