DE956259C - Induktor zum schrittweisen Oberflaechenhaerten von Zahnraedern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf induktiv oberflächengehärtete Zahnräder, bei denen die Zahnflanken zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit gehärtet sind, vor allem aber auf solche Zahnräder, bei denen zwecks Steigerung der Dauerwechselfestigkeit die Einmündung der Zahnflanken in den Zahngrund, wo der gefährliche Bruchquerschnitt ansetzt, mitgehärtet werden soll.

Das zuerst angewandte induktive Härteverfahren

ίο. ist die sogenannte Allzahnhärtung, bei der alle Zähne eines Rades gleichzeitig erhitzt und nachfolgend abgeschreckt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der übermäßig großen Heizleistung, so daß von vornherein nur kleine Räder darnach behandelt werden konnten. Die Forderung nach einem gehärteten Zahngrund wird erfüllt, wenngleich die Zahnköpfe im allgemeinem zu stark einhärten.

Um mit einer kleinen Heizleistung auszukommen, wurde die zahnweise Härtung von Rädern, und zwar die Stillstandshärtung eines ganzen Zahnes sowie dessen Vorschubhärtung versucht. Die Ergebnisse führten insofern zu keinem brauchbaren Verfahren, als es nicht gelang, die Zahnflanken bis zur Fußwurzel hart zu bekommen, die durch die Zahnköpfe des Gegenrades noch auf Verschleiß beansprucht wird.

Ein anderes Härteverfahren, die sogenannte. Zahnlückenhärtung, konnte sich durchsetzen. Hier wird Lücke für Lücke, also das Profil, bestehend aus zwei Zahnflanken und dem dazwischenliegenden Zahngrund, im Vorschubverfahren gehärtet.

Doch haften auch diesem Härteverfahren noch bedeutsame Nachteile an, die durch die vorliegende Erfindung überwunden werden.

Der Induktor zur Zahnlückenhärtung ist in Bild ι dargestellt. Er besteht aus der U-förmigen, wassergekühlten Rohrschleife i, in der ein Magnetkörper 2 steckt. Die Heizzone besteht aus zwei Ringen, die an den beiden gegenüberliegenden Zahnflanken der Lücke auftreten und sich am ίο Zahngrund berühren. Daraus folgt eine sehr unangenehme Randwirkung an den Radstirnseiten, indem bei halb in das Zahnrad eingerücktem Induktor die Wirbelstromringe an den Zahnflanken in ihrer zwanglosen Ausbreitung behindert werden, wonach sich die Stromdichten an den stirnseitigen Zahnkanten verdichten und diese bis zur Anschmelzung überhitzen. Teure und umständliche Zusatzkörper an den Radstirnseiten sind erforderlich, um diese unliebsame Erscheinung zu mildern. Ferner bedingt die ringförmige Heizzone zwei zeitlich stark verschobene Anheizstufen in der Flankenmitte, zwischen denen sich durch den inneren Wärmeausgleich bereits eine Abkühlung bemerkbar macht. Diese zusätzliche Temperatur-Schwankung erhöht die Gefahr der Rißbildung. Zudem folgt aus dieser zweistufigen Beheizung, insbesondere bei niedriger Frequenz (Mittelfrequenz) eine zu tiefe Einhärtung. Die Härtung von Kegelrädern, bei denen die Zahnlücke über der Zahnlänge veränderlich ist, kann mit diesem Härteverfahren nicht bewältigt werden. Ferner ist der Induktor zur Zahnlücke genau symmetrisch einzurichten, damit beide Zahnflanken halbwegs gleichmäßig einhärten. Diese Forderung ist nur durch hochqualifizierte, also kostspielige Härtemaschinen zu erfüllen. Zahnlücken mit größerem Modul (über 6) verlangen im Hinblick auf eine ausreichende Heizleistung eine entsprechend große Induktorschleife nach Bild 1. Dadurch wird aber die Heizzeit bei gleichem Vorschub viel größer als bei Rädern kleinen Moduls, und es sind so viel tiefe Einhärtungen in Kauf zu nehmen, als sie erwünscht sind.

Die vorbeschriebenen Nachteile beseitigt die Erfindung mit einem andersartigen Verfahren, bei dem die Flanke eines Zahnes mit einem Teil des angrenzenden Zahngrundes in einem Arbeitsgang mit Vorschub gehärtet wird. Der Zahnkopf 3 und der Zahnfuß 4 nach Bild 2 unterliegen dem Vergo schleiß. Die Hohlkehle 6 gehört bereits zum Zahngrund 5. Der gefährliche B ruchquer schnitt 7 geht durch die Hohlkehle 6 hindurch, die deshalb noch mitgehärtet werden muß, wenn das Zahnrad auf eine hohe Dauer festigkeit gebracht werden soll. Die erfindungsgemäße Härteeinrichtung zur Durchführung des vorgenannten Flankenhärteverfahrens, mit der im Gegensatz zu den erwähnten Versuchen mit der zahnweisen Oberflächenhärtung der Zahnfluß 4 bis zum Zahngrund hin voll ausgehärtet wird und darüber hinaus auch noch die Hohlkehle 6 erfaßt werden kann, ist wie folgt aufgebaut: Ein an die zu härtende Zahnflanke angepaßter, mit einem gut feldleitenden Magnetkörper — vorzugsweise aus einem lameliierten Eisenpaket bestehend — bestückter Heizleiter ist bis zum Zahngrund geführt und mündet dort in eine so schmale und so eng an die benachbarte, nicht zu härtende Zahnflanke angepaßte Querverbindung für den Induktorstrom, daß der Magnetkörper bis zum Zahngrund heranreicht und vorzugsweise diesen teilweise überdeckt.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Induktoranordnung, die das induktive Zahnflankenhärteverfahren erschließt, ist in Bild 3 wiedergegeben. Der wassergekühlte Heizleiter 8 ist in geringem Abstand an die zu härtende Zahnflanke angepaßt und führt über die Hohlkehle 6 zu der Querverbindung 9. In dieser fließt der Strom in Richtung der Längsausdehnung des Zahnes an der Stirnseite des Eisenblechpaketes 10 entlang. Die Querverbindung 9, die auch den Feldaustritt aus den Stirnseiten des Blechpaketes durch Abschirmung verhindern muß, ist zweckmäßigerweise nach oben hin keilförmig verjüngt, so daß der für das Eisenpaket vorgesehene Raum mit einem tunlichst großen Winkel nach der Hohlkehle 6 hin vorspringt. Dadurch stehen die Eisenbleche in der Mitte der Hohlkehle annähernd senkrecht zur Härtefläche und weisen dort den größtmöglichsten Füllfaktor (Blechzahl je Längeneinheit des Heizleiters) auf, während dem Zahnfluß und dem Zahngrund wegen der schiefen Lage der Bleche ein kleinerer, jedoch für beide Partien ungefähr gleich großer Füllfaktor zukommt. Die beschriebene Zuordnung der Bleche zur Härtefläche ist sehr wichtig, dia die Hohlkehle 6 stärker dem inneren Wärmeausgleich unterliegt als die übrigen Teile der Härtefläche. Der Zahnkopf ist relativ zum Zahngrund und Zahnfuß noch leichter zu beheizen; deshalb sind in dem Ausführungsbeispiel dort die Eisenbleche mit einem geringe- ren Füllfaktor geschichtet, indem dort ein keilförmiges Eisenblechpaket eingesetzt ist.

Wollte man an der Querverbindung9 die Stromzuleitung nach oben hin ansetzen, so würde dadurch der Raum für den Magnetkörper 10 eingeengt werden. Daher ist die Stromzuleitung 11 erst an der Längsseite des Eisenpaketes 10 an die Querverbindung 9 angefügt, wo für sie die ganze Zahnlücke zur Verfügung steht. In welcher Form und in welche Richtung die Zuleitung 11 und die an die Wange 12 angeschlossene Zuleitung abgehen, ist für den Erfindungsgegenstand belanglos. In dem Ausführungsbeispiel nach Bild 3 hüllt die Zulei tung 11 gemäß der deutschen Patentschrift 856 932 den Magnetkörper 10 teilweise ein und stößt bis zur Härtefläche vor, an die sie unter Wahrung eines geringen Abstandes angepaßt ist. Die Wange 12 erfüllt ebenso wie die Querverbindung 9 den Zweck, den Feldaustritt aus den Stirnseiten des Eisenblechpaketes 10 zu verhindern, damit die Endbleche nicht durch Wirbelströme überhitzt werden.

In dem Ausführungsbeispiel stoßen die Eisenbleche des Paketes 10 bis zur Härtefläche vor und liegen dort auf bzw. gleiten dort während der Vor-Schubbewegung. Der Heizleiter 8 berührt das

Werkstück nicht. Dadurch ist die beste Kopplung zwischen Induktor und Werkstück bei größter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht. Von den mit dem Heizleiter 8 verbundenen Leiterteilen darf höchs'tens einer, z. B. die Querverbindung 9, das Werkstück berühren, ohne daß ein Kurzschluß entsteht.

Gegenüber dem Zahnluckenhärteverfahren weist das Zahnfiankenhärteverfahren unter Verwendung des Induktors nach Bild 3 die folgenden Vorteile auf: Die Heizzone ist strichförmig, so daß eine nur sehr kurze Anheizzeit gewährleistet wird und sich nicht nur bei Anwendung von Röhrenfrequenzen, sondern auch bei Mittelfrequenzen dünne Einhärtungen ergeben. Es treten keine störenden Randwirkungen an den Radstirnseiten auf. Ferner ist man nicht genötigt, die Enden des Zahnes im Vorschub durchgehend zu beheizen; man kann die Heizung noch bei Überdeckung der Härtefläche durch den Heizleiter ein- und abschalten, ohne daß dadurch die Härteschicht ungleichmäßig wird, d. h. daß nicht wie bei der Zahnlückenhärtung ein ungehärteter Fleck in der Härteschicht verbleibt, der auf die ringförmige Härtezone zurückzuführen ist. Schließlich ist ohne einen besonderen Aufwand eine vollkommen gleichmäßige Einhärtung der Zahnflanken untereinander zu erzielen, insbesondere wenn mit dem Induktor nach Bild 3 bzw. 4 gearbeitet wird, bei dem das Eisenblechpaket 10 auf der Härtefläche aufliegt.

Mit dem Induktor nach Bild 3 ist auch die Oberflächenhärtung von Kegelrädern ermöglicht, welche Aufgabe mit dem Zahnluckenhärteverfahren nicht gelöst werden kann. Für die Härtung von Kegelrädern ist der Induktor dem Zahngrund der engsten Lücke angepaßt, während der Heizleiter nebst Polfläche des Magnetkörpers die schwächste Krümmung, die an der Zahnflanke vorkommt, aufweist. Der Magnetkörper 10 überdeckt die Flanke des Zahnes an seiner höchsten Stelle. Wenn im Zuge der Vorschubbewegung die Zahnhöhe kleiner wird, als der Magnetkörper lang ist, so stört dieser Umstand nicht weiter.

Wenn es sich um die Härtung von Stirnrädern handelt, bei denen das Zahnprofil über der ganzen Zahnlänge gleich ist, dann werden die beiden Flanken eines Zahnes gleichzeitig gehärtet, sofern die dazu erforderliche doppelte Heizleistung auch durch die geforderte Stückzahl an gehärteten Rädern gerechtfertigt erscheint. Dazu dient einfach eine Zwillingsausführung des Induktors nach Bild 3, die vorzugsweise zur Mittelebene des zu härtenden Zahnes symmetrisch ausgebildet ist. Die Wange 12 zur Abdeckung der Stirnseiten des Magnetkörpers 10 ist für die beiden Heizleiter 8 gemeinsam als ein dicker Leiterkörper ausgeführt.

Sind tiefere Einhärtungen erwünscht, z. B. wenn die Zähne sehr groß sind, dann verwendet man mit Vorteil statt des einen Heizleiters 8 deren zwei an einer Flanke, die sich nach Bild 4 in enger Nachbarschaft befinden und zwischen die ein Pol des Magnetkörpers 10 hindurchgreift. Der Schnitt AA in Bild 3 gilt auch für den Induktor nach Bild 4.

In der Druntersicht tritt jedoch an Stelle des Zuleitungskörpers 11 der zweite Heizleiter 8, so daß 6g sich eine symmetrische Anordnung ergibt. Die beiden Wangen 12 sind durch einen Schlitz 13 voneinander isoliert. Nicht gezeichnete Stromzuleitungen sind mit den Wangen 12 leitend verbunden. Die Zuleitungen können auch hier gemäß der deutsehen Patentschrift 856 932 den Magnetkörper ganz oder teilweise einhüllen und bis zur Härtefläche vorstoßen. Die Querverbindung 9 ist ebenso ausgeführt wie nach Bild 3.

Die Induktoranordnung nach Bild 4 ist ebenfalls als Zwillingsausführung zur gleichzeitigen Härtung der beiden Zahnflanken eines Zahnes verwendbar.

Damit durch den induktiven Erwärmungsvorgang nicht Teile schon gehärteter Zahnflanken angelassen werden, sorgen Wasserbrausen für die Kühlung der der Heizzone benachbarten, nicht zu härtenden Flächen, nämlich am Zahngrund und bei Anwendung des Induktors nach Bild 3 auch am Zahnkopf.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Induktor zum schrittweisen Oberflächen- go härten von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die zu härtende Zahnflanke angepaßter, mit einem gut feldleitenden Magnetkörper — vorzugsweise aus einem lamellierten Eisenblechkern bestehend — bestückter Heizleiter bis zum Zahngrund geführt ist und dort in eine so schmale und so> eng an die benachbarte, nicht zu härtende Zahnflanke angepaßte Querverbindung für die Rückführung des Induktorstromes mündet, daß der Magnetkörper bis zum Zahngrund heranreicht und vorzugsweise diesen teilweise überdeckt.

2. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwillingsausführung vorgesehen ist, die vorzugsweise zur Mittelebene des zu härtenden Zahnes symmetrisch ausgebildet ist.

3. Induktor nach Anspruch 1 und gegebenenfalls nach 2, dadurchgekennzeichnet, daß neben dem Heizleiter, der an der zu härtenden Zahnflanke vom Zahnkopf zum Zahngrund führt und in die Querverbindung mündet, von dieser aus noch ein zweiter Heizleiter in verhältnismäßig engem Abstand von dem ersten in enger Anpassung an die Härtefläche zum Zahnkopf führt, wobei der Magnetkörper mindestens eine Polfläche zwischen den beiden Heizleitern, vorzugsweise aber noch zwei Polflächen an den Außenseiten der Heizleiter aufweist.

4. Induktor nach Anspruch 1 und gegebenenfalls nach 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenbleche des lamellierten Magnetkörpers, die zum Zahngrund und zu dem unteren Teil des Zahnfußes vorstoßen, an der Polfläche enger geschichtet sind als die Bleche, die in der Nähe des Zahnkopfes angeordnet sind.

5· Induktor nach Anspruch ι und gegebenenfalls nach 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querverbindung für die Rückführung des Induktorstromes gegenüber den mit dem Magnetkörper bestückten Heizleitern stark überhöht ist, vorzugsweise so hoch ist, daß sie den Magnetkörper stirnseitig voll abdeckt.

6. Induktor nach Anspruch 1 bzw. 2 und gegebenenfalls nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuleitung zur Querverbindung 'den Magnetkörper gemäß der deutschen Patentschrift 856 932 eng umfaßt und an die Härtefläche unter Wahrung eines geringen Abstandes angepaßt ist.

7. Induktor nach Anspruch 1 und gegebenenfalls nach 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkörper mit seinen Polflächen die Härtefläche berührt und dadurch den Kopplungsabstand zwischen Heizleiter und Härtefläche bestimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 856 932.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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