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Vorrichtung zum Erhitzen von Metallkörpern durch hochfrequente Wirbelströme
Die Erfindung befaßt sich mit der Lösung der Aufgabe, einen rohr- oder stangenförmigen
Metallkörper stellenweise oder auf seiner ganzen Länge durch Induktion von Hochfrequenzströmen
zu erhitzen. Hierfür besteht vor allem beim Härten dieser Teile ein Bedarf.
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Es ist bekannt, zur Erzeugung eines Hochfrequenzfeldes von begrenzter
Ausdehnung einer sogenannten Glühkopf zu verwenden, der im wesentlichen aus einer
an einen Hochfrequenzerzeuger angeschlossenen Spule und gegebenenfalls aus einem
eine Zusammendrängung des Hochfrequenzfeldes auf die zu erhitzende Zone bewirkenden
Eisenkern besteht. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die aus einer Windung
bestehende Sekundärwicklung eines Hochfrequenzübertragers mit einer auf das Arbeitsstück
einwirkenden Arbeitswindung durch einen kegelstumpf- oder pyramidenförmigen und
gegebenenfalls zu einer Ringscheibe entarteten geschlitzten Zwischenkörper zu verbinden.
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Gemäß der Erfindung besteht ein zur Erhitzung von rohr- oder stangenförmigem
Glühgut geeigneter Glühkopf aus einer im wesentlichen ebenen, mit einem radialen
Schlitz versehenen kreisförmigen Metallscheibe; die auf wenigstens einer Breitseite
eine vom Hochfrequenzstrom durchflossene Flachspule trägt und deren Öffnung so bemessen
ist, daß
ihr Rand dem 'Umfang des Glühgutes sich mit einem geringen'
Luftspalt anschmieggf. Durch eine Relativbewegung des Glühkopfes -gegenüber dem
Glühgut bei eingeschaltetem Hochfrequenzstrom kann ein mehr oder weniger ausgedehnter
Abschnitt des Glühgutes ringsherum erhitzt werden. Schaltet man den Hochfrequenzstrom
während der stetigen oder ruckweisen Bewegung mehrmals ein und aus, so beschränkt
sich die Erhitzung auf mehrere voneinander getrennte Abschnitte von einer der Einschaltdauer
entsprechenden Länge. Es ist zweckmäßig, die Metallscheibe hohl auszubilden .und
durch den Hohlraum ein strömendes Kühlmittel; insbesondere Wasser; hindurchzuleiten.
Wenn das Glühgut nach der Erhitzung abgeschreckt werden soll, kann man in an sich
bekannter Weise-das Kühlwasser aus einer passenden Stelle der Metallscheibe gegen
das Werkstück austreten lassen.
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Ein Ausführungsbeispiel .des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt und Abb. 2 einen Querschnitt.
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Der zu erhitzende Gegenstand ist eine gerade Stange i oder ein Rohr.
Der Glühkopf besteht aus einer flachen Kreisringscheibe 2 aus einem elektrisch gut
leitenden Metall, vorzugsweise Kupfer, die einen den Innenrand mit dem Außenrand
verbindenden, vorzugsweise radial- -verlaufenden Schlitz 3 aufweist, und der von
der Kreisringscheibe getragenen Induktionswicklung in Gestalt von zwei Flachspulen
4, welche an einen. Hoch frequenzerzeuger angeschlossen und zweckmäßig miteinander
in Reihe geschaltet werden. Die Flachspulen sind an den Breitseiten der Kreisringscheibe
mit Hilfe von radial angeordneten Isolierleisten 5 befestigt. An sich genügt auch
eine einzige solche Flachspule zur Felderzeugung, jedoch hat die symmetrische Anordnung
Vorteile,. vor allem "hinsichtlich der Anordnung der Anschlüsse.
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Die Öffnung 6 in der Mitte der Kreisringscheibe ist hinsichtlich ihrer
Form und Größe so zu gestalten, daß ihr Rand sich dem Umfang des Werkstückes i mit
einem möglichst kleinen Luftspalt anschmiegt. Eine Berührung zwischen dem Werkstück
und dem Innenrand der Öffnung 6, insbesondere eine Überbrückung des Schlitzes 3
durch das Werkstück muß auf jeden Fall vermieden werden. Gegebenenfalls kann man
den Innenrand der, Öffnung 6 mit einer Schicht- aus einem. hitiebes.täridigen Isolierstoff
überziehen. .Die Größe- des- Lüftz spältes hängt vor :allein von'der @Geriauigkeit
a15; -mit welcher das Werkstück gegenüber- dem Glühkopf gehalten bzw. geführt -wird.
Wenn. der Querschnitt des Werkstückes kein -Kreis ist, so wird auch die Öffnung
6 und gegebenenfalls auch die Metallscheibe 2 sowie 'der' Verlauf der Windungen
der Flachspule 4 dem betreffenden Profil angepaßt.
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Die Induktionsspulen 4 sind -als, «die Primärwicklung eines Transformators
aufzufassen, dessen Sekundärwicklung durch" die Kreisringscheibe 2 gebildet wird.
Wenn die Induktionswicklung vo'n einem Hochfreqüenzstrom durchflossen. Wird, ' erzeugt
sie in. der Kreisringscheibe einen Strom, der das induzierende Feld zu schwächen
trachtet. In der Kreisringscheibe bilden sich Stromfäden aus, welche den Windungen
der Flachspule 4 folgen, aber-durch den. Schlitz 3 gehindert werden, sich auf dem
kürzesten Wege zu schließen. Der Sekundärstrom wird vielmehr gezwungen, längs des
einen Schlitzrandes zum Innenrand der Kreisringscheibe zu fließen, und längs desselben
sowie des anderen Schlitzrandes zu seinem Ausgangspunkt zurückzukehren. Der . radiale
Schlitz 3 wird zweckmäßig so schmal gemacht, wie es aus mechanischen Gründen möglich
ist. Da die beiden Schlitzkanten in entgegengesetzten Richtungen vom Hochfrequenzstrom
durchflossen, werden, heben die von ihnen erzeugten Felder einander praktisch auf.
Es bleibt ein. starkes in axialer Richtung verlaufendes hochfreqüentes Magnetfeld
übrig, das sich in dem Luftspalt zwischen dem Werkstück i und dem Innenrand der
Öffnung 6 der Kreisringscheibe zusammendrängt und außen um die Spulen und die Kreisringscheibe
herum schließt. Da die Dichte des Magnetfeldes im Luftspalt sehr groß ist, ruft
dieses in der an den Ort größter Felddichte angrenzenden Zone des Werkstückes einen
ebenfalls sehr starken Wirbelstromfluß hervor und bewirkt eine örtliche Erhitzung
des Werkstückes. Bewegt man das Werkstück in axialer Richtung längs des Pfeiles
7, während der Hochf@eqtienzstrom eingeschaltet ist, so, erstreckt sich die Erhitzung
über .einen entsprechend- längeren Abschnitt 'des. Werkstückes. Unterbricht man
die Hochfrequenzstromzufuhr während der Bewegung, so werden nur bestimmte, durch
Zwischenräume getrennte Abschnitte des Werkstückes erhitzt. Man kann somit das Werkstück
entweder auf seiner ganzen Länge oder nur stellenweise erhitzen.
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In: der Nähe des inneren Endes des Schlitzes 3 ist am Umfang der Öffnung
6 kein Strombelag vorhanden, und. daher kommt an der gegenüberliegenden Stelle des
Werkstückes keine Erhitzung zustande. Da die Breite des Schlitzes 3 möglichst klein
gewählt wird, kann, diese Ungleichmäßigkeit in Kauf genommen werden, zumal durch
die Wärmeleitung im Arbeitsstück ein gewisser Temperaturausgleich herbeigeführt
wird. Es ist jedoch möglich, auch diese geringe Ungleichmäßigkeit dadurch-zu beseitigen;
daß das Werkstück oder der Glühkopf während der Erhitzung um seine Achse gedreht
wird.- - - =. . _ - I.rifolge ihres gerihgen- Abstandes vom erhitzten Teil des Werkstückes
und der stellenweise sehr hohen Strombelastung nimmt auch die Kreisringscheibe eine
höhet'e-Temperatur an, so daß es unter Umständen notwendig ist, sie zu kühlen. Zu
diesem Zweck werden in die Kreisringscheibe Kanäle eingearbeitet, durch -welche
ein Kühlstrom, insbesondereWasser, geleitet -wird. Im Beispielsfalle besteht die
Kreisringscheibe ä aus einem Scheibenkörper 8 und einem- Deckel 9. In den Scheibenkörper
ist ein gewundener Kanal iö eingearbeitet, der mit den durch Pfeile 11, 12. angedeuteten
Wasserzu- und ableitungsröhren verbunden ist.
Wenn die beschriebene
Vorrichtung zum Härten des Werkstückes i benutzt wird, ist es erforderlich, die
erhitzten Stellen des Werkstückes abzuschrecken. Die hierzu erforderliche Vorrichtung
gestaltet sich besonders einfach, wenn das durch die Kreisringscheibe 2 hindurchgeleitete
Kühlwasser zum Abschrecken verwendet wird. Zu diesem Zwecke können an die innerste
Windung des Kühlkanals io Bohrungen 13 anschließen, welche das Kühlwasser nach Art
einer Ringbrause gegen die erhitzten Stellen des Werkstückes richten. Selbstverständlich
entfällt in diesem Falle der Anschluß einer besonderen Kühlwasserableitung i2. Zweckmäßig
wird die Vorrichtung in diesem Falle so aufgebaut, daß die Stange i lotrecht steht
und sich von oben nach unten bewegt.
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Wenn das Arbeitsstück i aus einer rostenden Stahlsorte besteht, empfiehlt
es sich, dem zum Abschrecken, verwendeten Kühlwasser ein Rostschutzmittel zuzusetzen.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es in diesem Falle zweckmäßig, einen geschlossenen
Kühlwasserkreislauf herzustellen. Zu diesem Zweck wird das Kühlwasser nach dem Austritt
aus den Bohrungen 13 aufgefangen und durch eine Pumpe in einen höher gelegenen Vorratsbehälter
zurückbefördert, aus welchem es wieder in den Kühlkanal io gelangt. Die durch Verdampfung
des Kühlwassers beim Abschrecken verlorengehende Wassermenge muß von Zeit zu Zeit
ergänzt werden, weshalb an dem Vorratsbehälter zweckmäßig ein Wasserstandsmesser
angebracht wird.