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Anordnung zum induktiven Erhitzen von Werkstücken Bekanntlich kann
man die für die Härtung von einzelnen Teilen bzw. Oberflächen von Werkstücken erforderliche
Erhitzung dieser Teile dadurch herstellen, daß man eine Induktionsheizung an der
zu erhitzenden Fläche entlang führt: Je nach der Tiefe, bis zu der die Hitze in
das Werkstück eindringen soll, wird die induktive Heizvorrichtung mit einer hohen
oder einer geringeren Frequenz gespeist. Da für die Erhitzung verhältnismäßig große
Energiemengen von der Heizvorrichtung auf das Werkstück übertragen werden müssen,
so ist es meistens erforderlich, die den Induktionsstrom führenden Leiter der Heizvorrichtung
als Hohlleiter auszubilden und eine Kühlflüssigkeit hindurchzuleiten. Nach dem Erhitzen
muß die Oberfläche für den Härteprozeß abgeschreckt werden, indem sie etwa mit Wasser
bespritzt wird. Es wurde bereits vorgeschlagen, die für die Kühlung der Heizleiter
erforderliche Flüssigkeit auch für das Abschrecken zu benutzen, indem man den am
Werkstück entlang sich bewegenden Heizleiter mit Öffnungen versieht, aus denen das
Kühlwasser für das Abschrecken heraustritt.
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Die Erfindung betrifft eine besonders zweckmäßige Gestaltung derartiger
Anordnungen zum induktiven Erhitzen von Werkstücken, bei der die Induktionsheizung
an der zu erhitzenden Fläche des Werkstücks entlang geführt wird. Erfindungsgemäß
wird das magnetische Feld der Induktionsheizung durch quer zur Relativbewegung zwischen
Induktionsheizung
und Werkstück sich erstrekkende Hin- und Rückleiter erzeugt, die sich dem Querschnittsverlauf
der zu erhitzenden Werkstückfläche anschmiegen. Die Anordnung ist also insbesondere
derart, daß die das magnetische. Feld erzeugenden Leiter der Induktionsheizung eine
geschlossene flache Spule bilden, wobei die von einer Windung dieser Spule umgrenzte
Fläche bzw. "der Verlauf dieser Windung sich der gekrümmten oder gebrochenen Fläche
.des Werkstücks anschmiegt.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
der Zeichnung näher erläutert. In Fig. i soll ein langgestrecktes Stahlstück mit
rechteckigem Querschnitt an der oberen und an der rechten Seite der Oberfläche gehärtet
werden, und zwar gemäß dem schraffierten Querschnitt i der zu härtenden Schicht.
Zu .diesem Zweck wird die Induktionsheizeinrichtung 2 an dieser zu härtenden Oberfläche
des Werkstücks entlang geführt, was entweder durch Bewegen der Induktionsheizung
oder durch Bewegen des Stahlstabes erreicht werden kann. Die Induktionsheizung besteht
nun wie ersichtlich aus zwei quer zur Richtung der Bewegung nebeneinander angeordneten
Hin- und Rückleitern 3 und q., die sich mit ihrer Längserstreckung der unter einen
rechten Winkel gebrochenen zu härtenden Fläche anschmiegen. Die beiden Leiter 3
und q. stellen dabei eine flache Spule dar, deren Querschnittsfläche parallel zur
zu härtenden Oberfläche verläuft, so daß der diese Querschnittsfläche durchsetzende
magnetische Fluß annähernd senkrecht in die zu härtende Oberfläche eindringt. Um
eine genügend starke Ausbildung dieses Flusses zu begünstigen, wird man namentlich
bei der Verwendung von Mittel- oder Niederfrequenz den magnetischen Fluß auch außerhalb
des Werkstücks. in Eisen verlaufen lassen, in dem man die Leiter 3 und q. mit Eisenblechen
umgibt, -wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 stellt dabei einen Querschnitt
durch die Leiter 3 und q. und durch die angrenzende Seite des Werkstücks gemäß der
Linien A-B der Fig. i dar. 3 und q. sind wiederum die nunmehr im Querschnitt dargestellten
Leiter der Induktionsheizung. 5 ist das diese beiden Leiter mit Ausnahme der dem
Werkstück zugewandten Seite allseitig umgebende Eisenblech. i ist die zu härtende
Oberfläche. Die Leiter sind Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt. Da der Strom
in den Leitern 3 und q. in entgegengesetzter Richtung fließt, so wird der magnetische
Fluß an den beiden Außenschenkeln des Bleches 5 ebenfalls die entgegengesetzte Richtung
aufweisen als an dem Innenschenkel, an .dem er außerdem die doppelte Größe aufweist.
In Fig. 2 hat das umgebende Blech 5 die Form des Eisens eines Manteltransformators.
Unter Umständen genügt jedoch die Blechform eines gewöhnlichen Einphasentransformators,
so daß also in Fig. 2 der an den Mittelschenkel des Bleches 5 nach rechts sich anschließende
Jochteil und der rechte Außenschenkel wegfallen kann. Bei der Verwendung von Hochfrequenz
kann man das die beiden Leiter umgebende Eisen noch weiter vereinfachen, indem man
gemäß der Fig.3 nur rechteckige Eisenbleche 6 zwischen den beiden Leitern 3 und
q: vorsieht, während an den nach oben und nach außen gekehrten Seiten dieser Leiter
kein Eisenblech vorhanden ist.
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Fig. q. zeigt die Ausbildung der Induktionsheizeinrichtung gemäß der
Erfindung, wenn wenigstens zwei gegenüberliegende Seiten eines Werkstücks mit rechteckigem
Querschnitt aufgeheizt werden sollen. Die Hin- und Rückleiter 3 und q. der Induktionsheizung
bilden hier zwei in der Bewegungsrichtung der Induktionsheizung nebeneinander angeordnete
und in Querebenen zu dieser Bewegungsrichtung liegende U-Formen, die an den Enden
der U-Schenkel (bei 7 und 8) ineinander übergehen, wobei die Verbindungsflächen
zwischen den Linienzügen der beiden U die von der Spule umfaßte, vom magnetischen
Fluß durchsetzte Querschnittsfläche bilden. Diese Querschnittsfläche verläuft dabei
parallel zu der am Werkstück zu härtenden Schicht i. Sie bildet also ebenfalls die
Form eines U.
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Bei g ist die Stromzu- und -ableitung an die Induktionsheizung angeschlossen,
wobei das von den Leitern q. gebildete U am Grund des U geöffnet und an die Zu-
und Ableitung angeschlossen ist. Die Zu-und Ableitung könnte jedoch auch an einer
anderen Stelle der Heizspule angeschlossen sein, beispielsweise zeigen die gestrichelten
Zu- und Ableitungen io einen Anschluß an die Mitte am Gründe des einen U.
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Der Querschnitt des zu beheizenden Werkstücks der Fig. q. ist nur
als Beispiel gewählt. Das Werkstück kann alle Querschnitte aufweisen, bei denen
sich die annähernd U- oder V-förmig gestaltete Induktionsheizeinrichtung dem Querschnittsverlauf
des Werkstücks genügend gut anschmiegt. Beispielsweise kann man die Einrichtung
der Fig. q. für das Härten der Oberfläche von Zahnrädern benutzen, wobei durch die
Induktionsheizung gleichzeitig beide Flanken eines Zahnes sowie. außerdem der Zahnkopf
erhitzt werden. Wenn man nur die beiden Zahnflanken härten will, so kann man dies
dadurch erreichen, daß man die dem Zahnkopf gegenüberliegenden Teile der Leiter
3 und q. nicht mit Eisenblechen umgibt, so daß hier der magnetische Fluß nur gering
ist.
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Fig. 5 zeigt eine Anwendung der wiederum U-förmig gestalteten Spule
der Induktionsheizung; bei der man die benachbarten Zahnflanken zweier Zähne gleichzeitig
härten kann sowie eventuell den Zahngrund. - Die U-Form der Induktionsspule ist
hier um iSo° gedreht und füllt eine Lücke zwischen zwei Zähnen aus. Die Zu- und
Ableitung kann dadurch hergestellt sein, daß die eine Übergangsstelle an den Enden
der U-Schenkel 3 und q. geöffnet und an die Zu- und Ableitungen i i angeschlossen
ist. Man könnte aber ähnlich wie in Fig. q. die Zu- und Ableitungen auch (gestrichelt
angedeutet) an den Grund des U (bei 12) anschließen.
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Wünscht man nur die Zahnflanken des Zahnrades zu härten, so kann man
die Anordnung nach Fig. 6 wählen, bei der die Induktionsheizung ähnlieh
wie
in Fig. q. ausgebildet ist, jedoch mit der annähernden U-Form nicht einen Zahn umfaßt,
sondern eine Zahnlücke. In diesem Fall wird man die die beiden U-Schenkel verbindenden
Leiter 3 und q. nicht mit Eisenblech umgeben, da ihnen keine zu erhitzende Werkstückoberfläche
gegenübersteht. Wählt man den Anschluß der Zu- und Ableitungen 9 gemäß der Fig.
6a, wobei also das durch die Leiter q. gebildete U am Grunde des U, geöffnet und
an die Zu- und Ableitungen angeschlossen ist, so kann man in Schwierigkeiten geraten
bezüglich der Unterbringung der die Leiter 3 und q. umgebenden Eisenbleche, da der
Raum der Zahnlücke dafür unter Umständen nicht breit genug ist. Diese Schwierigkeit
läßt sich wesentlich vermindern, wenn man die Anschlüsse gemäß der Fig. 6b wählt,
wobei von den Zu- und Ableitungen 9 der eine Leiter an dem nach vorn gelegenen Heizleiter
q. des U angeschlossen ist, während der andere Leiter an dem rückwärts gelegenen
Heizleiter 3 angeschlossen ist. In diesem Fall sind die den Zahnflanken gegenüberliegenden
Leiter 3 und q. an der einen Zahnflanke gegenüber der anderen in der Bewegungsrichtung
der Induktionsheizung versetzt, so daß die die Heizleiter umgebenden Eisenbleche
sich gegenseitig nicht mehr derart stark behindern wie bei der Anordnung nach Fig.
6a.
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Wie bereits geschildert, ist es meist erforderlich, die Leiter der
Induktionsheizung als Hohlleiter auszubilden und eine Kühlflüssigkeit durch den
Hohlleiter hindurchzuschicken. Man hat nun bereits vorgeschlagen, derartige Hohlleiter
mit Öffnungen zu versehen, so daß die aus diesen öffnungen austretende Kühlflüssigkeit
gleichzeitig zum Abschrecken der bereits erhitzten Oberfläche des Werkstücks benutzt
werden kann. Bei der Anordnung nach der Erfindung kann man nun diejenigen Teile
der Hohlleiter, die bei der Bewegung der Induktionsheizung sich rückwärts befinden,
mit Öffnungen für das Austreten der Kühlflüssigkeit versehen. Wenn also in den Fig.
q., 5 und 6 die Induktionsheizeinrichtung sich von rückwärts nach vorwärts bewegt,
so wird man die rückwärtigen Leiter 3 mit derartigen Öffnungen ausrüsten. In einem
derartigen Fall kann man die Zu- und Ableitungen der Induktionsheizung und damit
auch die Zu- und Ableitungen derKühlflüssigkeitgemäß dergestrichelten Darstellung
der Fig. 5 oder gemäß der Darstellung der Fig. 6c (Zu- und Ableiter 13) anordnen.
Man kann auch die Kühlflüssigkeit gleichzeitig durch die elektrische Zuleitung und
durch die elektrische Ableitung der Induktionsheizung zuführen, wobei in der Mitte
der Induktionsheizleiter (an dem Leiter 3) eine Trennwand in den Hohlraum des Leiters
eingebaut ist. Die gleichzeitige Benutzung der Kühlflüssigkeit für das Abschrecken
hat auch eine bessere Kühlung der Induktionsleiter zur Folge, da man durch die Leiter
bei sonst gleichen Verhältnissen die doppelte Wassermenge führen kann.
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In den Ausführungsbeispielen besteht die Spule der Induktionsheizung
nur aus einer einzigen Windung. Man kann aber auch Spulen mit mehreren Windungen
anwenden. In den Ausführungsbeispielen bestehen dann die Leiter 3 und q. aus mehreren
unmittelbar nebeneinander angeordneten Leitern, die zu mehreren Windungen geschlossen
sind. Für den Anschluß der Zu- und Ableitung ist dann nur eine Windung an den bereits
geschilderten Stellen geöffnet. Bei den Ausführungsbeispielen bilden die Hin- und
Rückleiter mit dem ihren Zwischenraum durchsetzenden Fluß einen Pol. Man kann natürlich
auch zwei oder mehrere solcher Pole vorsehen, indem man etwa mehrere Spulen der
Fig. i bis 6 in der Bewegungsrichtung der Induktionsheizung nebeneinander anordnet
und sie hintereinanderschaltet. Die die Spule umgebenden Eisenbleche können dabei
für alle Spulen gemeinsam vorgesehen sein.