DE963174C

DE963174C - Induction heating coil

Info

Publication number: DE963174C
Application number: DEP44580A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Gerhard Seulen
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1948-06-16
Filing date: 1949-06-02
Publication date: 1957-05-02

Description

Die Erfindung betrifft Induktionsspulen für Wärmebehandlungszwecke.The invention relates to induction coils for heat treatment purposes.

Verschiedene Induktionsspulen sind für das induktive Erhitzen metallischer Teile bekannt. Das Erhitzen mittels dieser Spulen dient dem Oberflächenhärten, Glühen, Anlassen, Schweißen, Hart- und Weichlöten und ähnlichen Wärmebehandlungen. Für Teile, die einen kreisförmigen oder ähnlichen Querschnitt haben, z. B. Kurbelzapfen, Wellenzapfen, Nocken und Walzen, ist es üblich, ein- oder mehrwindige Spulen zu benutzen, die das zu erhitzende Teil umgeben. Es sind auch schon Vorschläge gemacht worden, Heizleiterspulen zu benutzen, welche den Abschnitt des zu erhitzenden Werkstückes nur teilweise umfassen. In dem Fall, in dem die letztgenannten Heizgeräte benutzt werden, wird der zu erhitzende Körper während des Aufheizens in Umlauf versetzt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen.Various induction coils are known for the inductive heating of metallic parts. That Heating by means of these coils is used for surface hardening, annealing, tempering, welding, hard and soldering and similar heat treatments. For parts that are circular or similar Have cross-section, e.g. B. crank pins, shaft journals, cams and rollers, it is common to or to use multi-turn coils surrounding the part to be heated. There are already suggestions been made to use heating conductor coils, which is the section of the to be heated Include workpiece only partially. In the case where the latter heating devices are used the body to be heated is set in circulation during the heating process in order to ensure a uniform temperature To achieve temperature distribution.

Die Nachteile der Heizeinrichtungen, die bisher ao verwendet worden sind, liegen darin, daß ein besonderes Heizgerät für jede Abmessung eines Werkstückes benutzt werden muß, und zwar sowohl dann, wenn die Werkstücke im Durchmesser und in der Länge voneinander abweichen. Dies macht es erforderlich, daß eine große Anzahl an sich kostspieliger Heizgeräte auf Lager gehalten werden muß. Ein zusätzlicher Nachteil der beschriebenen Spulen, die das Werkstück umgeben, ergibt sich dadurch, daß die Spule den aufzuheizenden Ab-The disadvantages of the heating devices that have been used so far are that a special Heater must be used for each dimension of a workpiece, both when the workpieces differ in diameter and length. This makes requires that a large number of inherently expensive heating devices be kept in inventory got to. An additional disadvantage of the coils described, which surround the workpiece, results by the fact that the coil carries the waste to be heated

schnitt des Werkstückes vollkommen überdeckt und es so unmöglich macht, die Temperatur im aufgeheizten Abschnitt zu beobachten.cut of the workpiece completely covered, making it impossible to keep the temperature in the heated Watch section.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung die Induktionsspule zum Erhitzen von Werkstücken mit kreisförmigem oder ähnlich geformtem Querschnitt so ausgebildet, daß der Heizleiter des vorzugsweise einwindigen Induktors schmaler ist als die Breite des aufzuheizenden Werkstückabschnittes und bei annähernd elliptischer Form die Längsachse der Spule mit der Werkstückachse einen solchen Winkel bildet, daß bei (relativer) Rotation der Werkstückabschnitt aufgeheizt wird. Vorzugsweise ist die Längsachse der Induktionsspule gegen die Werkstückachse um einen Winkel von 45 ° geneigt. Die Spule ist so ausgebildet, daß die Kopplung zwischen ihren Innenflächen und der äußeren Oberfläche des Werkstückes so gut wie möglich ist. Um dies zu erreichen, hat die Spule annähernd elliptische Form.In order to avoid these difficulties, according to the invention, the induction coil is used for heating of workpieces with a circular or similarly shaped cross-section so that the heating conductor of the preferably single-turn inductor is narrower than the width of the one to be heated Workpiece section and with an approximately elliptical shape, the longitudinal axis of the coil forms such an angle with the workpiece axis that the workpiece section during (relative) rotation is heated. The longitudinal axis of the induction coil is preferably against the workpiece axis inclined at an angle of 45 °. The coil is designed so that the coupling between their inner surfaces and the outer surface of the workpiece is as good as possible. To this To achieve this, the coil has an approximately elliptical shape.

Während des Aufheizens läuft das WerkstückThe workpiece runs while it is being heated

innerhalb der Spule um, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der gesamten Oberfläche des AVerkstückes erreicht wird, die der Einwirkung des Induktors unterliegt.inside the coil, creating an even temperature distribution over the entire surface of the A piece is reached, which is subject to the action of the inductor.

Die Temperatur der Oberfläche kann während des Aufheizens ständig beobachtet werden, da der Induktor verhältnismäßig nur einen kleinen Teil der Oberfläche überdeckt.The temperature of the surface can be monitored continuously during the heating process, as the Relatively inductor covers only a small part of the surface.

Wenn nun Teile verschiedener Länge zu behandeln sind, kann der gleiche Induktor verwendet werden, und zwar kann er der Länge der zu erhitzenden Oberfläche des Werkstückes angepaßt werden, indem er geschwenkt wird, d. h. indem der Winkel zwischen der Achse des Werkstückes und der Achse des Induktors verändert wird. Der gleiche, annähernd elliptische Induktor kann auch für Werkstücke verschiedener Durchmesser verwendet werden, indem er um einen geeigneten Winkelbetrag geschwenkt wird. Eine Anordnung dieser Art vermindert beträchtlich die Lagerhaltung benötigter Induktoren, denn der gleiche Induktor kann für eine große Anzahl von Werkstücken verschiedener Abmessungen verwendet werden.If parts of different lengths are to be treated, the same inductor can be used be, namely it can be adapted to the length of the surface to be heated of the workpiece by pivoting it, d. H. by the angle between the axis of the workpiece and the axis of the inductor is changed. The same, approximately elliptical inductor can also can be used for workpieces of different diameters by selecting a suitable Angular amount is pivoted. Such an arrangement significantly reduces inventory levels required inductors, because the same inductor can be used for a large number of workpieces Dimensions are used.

Ein weiterer Vorteil dieser Induktorart gegenüber den üblichen ein- oder mehrwindigen Induktoren besteht darin, daß es nahezu unmöglich ist, die Werkstückoberfläche zu überheizen, und zwar auch dann, wenn mit größerer Energie gearbeitet wird. Das Werkstück hat während seines Umlaufes genügend Zeit, die Oberflächentemperatur durch Wärmeabfluß zum Werkstückinnern hin auszugleichen. Another advantage of this type of inductor compared to the usual single or multi-turn inductors is that it is almost impossible to overheat the workpiece surface, namely even when working with greater energy. The workpiece has during its revolution enough time to equalize the surface temperature through heat dissipation to the inside of the workpiece.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Induktoren so ausgebildet sein, daß an Stellen, an denen eine größere Wärmemenge erforderlich ist, der stromführende Ast des Induktors mit einem steilen Winkel zur Achse verläuft, beispielsweise 45 und 90⁰, als an Stellen, an denen eine geringere Wärmemenge erforderlich ist und wo der Winkel zwischen 0 und 45° beträgt. Dies führt dazu, daß die Periode, während welcher ein Abschnitt des Heizleiters während eines Umlaufes auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt, unterschiedlich lang ist. Die gleiche Wirkung, die unter allen Abschnitten des Leiters mit steilem Winkel zum Werkstück erzeugt wird, dauert langer an als in den Abschnitten des Werkstückes, in welchen der Heizleiterabschnitt einen kleineren Winkel mit der Achse bildet. Unter diesen Bedingungen ist die tatsächliche Zeit der Einwirkung ein Maß für die Aufnahme der elektrischen Energie in den verschiedenen Abschnitten des Werkstückes. Die Vorteile des Induktors gemäß der Erfindung gegenüber den üblichen Induktoren mit Leiterschleifen liegt zunächst in seinem höheren Wirkungsgrad und seiner Anpassungsfähigkeit an Werkstücke verschiedener Abmessungen. Der Induktor gemäß der Erfindung kann sowohl für die Gesamtflächenerhitzung als auch für die Vorschuberhitzung zur Gänze benutzt werden.According to a further feature of the invention, the inductors can be designed so that at points where a larger amount of heat is required, the current-carrying branch of the inductor extends at a steep angle to the axis, for example 45 and 90 ⁰ , than at points where a smaller amount of heat is required and where the angle is between 0 and 45 °. As a result, the period during which a section of the heating conductor acts on the surface of the workpiece during one revolution is of different length. The same effect, which is produced under all sections of the conductor at a steep angle to the workpiece, lasts longer than in the sections of the workpiece in which the heating conductor section forms a smaller angle with the axis. Under these conditions, the actual time of exposure is a measure of the absorption of electrical energy in the various sections of the workpiece. The advantages of the inductor according to the invention compared to the usual inductors with conductor loops are first of all its higher efficiency and its adaptability to workpieces of different dimensions. The inductor according to the invention can be used in its entirety both for the total surface heating and for the advance heating.

In den Zeichnungen sind einige beispielsweise Ausführungsformen schematisch dargestellt, an Hand derer die Erfindung näher erläutert werden soll.Some exemplary embodiments are shown schematically in the drawings Hand of which the invention is to be explained in more detail.

Fig. ι zeigt eine Induktionsspule für das Erhitzen von Kurbelwellenzapfen;Fig. Ι shows an induction coil for heating of crankshaft journals;

Fig. 2 stellt eine Heizspule für einen Zapfen dar, der an einem Ende mit einem Kopf versehen ist:Fig. 2 shows a heating coil for a pin which is provided with a head at one end:

Fig. 3 stellt einen Induktor zum Erhitzen eines zylindrischen Werkstückes dar:Fig. 3 shows an inductor for heating a cylindrical workpiece:

Fig. 4 stellt die Form eines Eisenjoches für einen Induktor nach Fig. 3 dar.FIG. 4 shows the shape of an iron yoke for an inductor according to FIG. 3.

Die Induktoren können für Kurbelwellenzapfen, mit Köpfen versehene Bolzen, Zapfen, Walzen u. dgl. verwendet werden. Ihre Anwendung, ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Sie können beispielsweise auch für andere Werkstücke benutzt werden, z. B. Nockenwellen, Achsschenkel, Stangen, Ringe, Kugelzapfen und ähnliche Teile.The inductors can be used for crankshaft journals, studs with heads, journals, rollers and the like can be used. Their application, however, is not limited to these examples. she can also be used for other workpieces, e.g. B. camshafts, steering knuckles, Rods, rings, ball studs and similar parts.

Fig. ι zeigt bei A einen Abschnitt des Werkstückes, der von Achsschenkel B begrenzt wird. Zum Aufheizen des Werkstückes gemäß der Erfindung ist der Induktor C von praktisch elliptischer Form vorgesehen. Dem Induktor wird bei D Wechselstrom geeigneter Frequenz zugeführt. Selbstverständlich muß ein geteilter Induktor verwendet werden, damit er auf dem Zapfen in Wirkstellung gebracht werden kann. Die Unterteilung no ist bei X dargestellt. Der Induktor besteht aus einem rückwärtigen Teil Cb und einem vorderen Teil Ca. Der tatsächliche Heizleiter besteht aus einem Kupferrohr von rundem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, durch das Kühlwasser hindurchfließt. Es kann aber auch ein elliptischer oder ähnlicher Querschnitt verwendet werden. Um eine gleichmäßige Aufheizung sicherzustellen, wird der Zapfen in Richtung des Pfeiles F während des Aufheizens in Umlauf versetzt. Der Induktor kann in Richtung des Pfeiles G geschwenkt werden, so daß er sich der Breite des Werkstückes oder des zu behandelnden Werkstückabschnittes anpassen kann. Wenn dem Erhitzen eine Härtung nachfolgt, kann das Abschrecken durch Mittel herbeigeführt werden, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.Fig. Ι shows at A a section of the workpiece which is bounded by the steering knuckle B. For heating the workpiece according to the invention, the inductor C is provided with a practically elliptical shape. At D, alternating current of a suitable frequency is fed to the inductor. Of course, a split inductor must be used so that it can be brought into the operative position on the pin. The subdivision no is shown at X. The inductor consists of a rear part Cb and a front part Ca. The actual heating conductor consists of a copper pipe with a round, square or rectangular cross-section through which cooling water flows. However, an elliptical or similar cross section can also be used. In order to ensure uniform heating, the pin is set in rotation in the direction of arrow F during heating. The inductor can be pivoted in the direction of arrow G so that it can adapt to the width of the workpiece or the workpiece section to be treated. If hardening is followed by heating, quenching may be brought about by means not shown in the drawing.

Fig. 2 zeigt einen Induktor zum Aufheizen eines Zapfens Ai, der an einem Ende mit einem Kopf Bi versehen ist. Um den Wärmeabfluß zum Kopf Bi hin auszugleichen und eine Erwärmung bis zum Radius dieses Kopfes durchzuführen, ist der Induktor Ci so ausgebildet, daß er einen Teil H besitzt, der im rechten Winkel zur Achse des Werkstückes verläuft, während der übrige Teil des Heizleiters im flachen Winkel zum Werkstück steht. WährendFig. 2 shows an inductor for heating a pin Ai, which is provided at one end with a head Bi . In order to compensate for the heat dissipation to the head Bi and to carry out heating up to the radius of this head, the inductor Ci is designed so that it has a part H which runs at right angles to the axis of the workpiece, while the remaining part of the heating conductor is flat At an angle to the workpiece. While

ίο des Aufheizens läuft das Werkstück Ai in Richtung des Pfeiles Fi um. Der Strom wird bei Di zugeführt. Der Induktor kann in Richtung des Pfeiles Gi geschwenkt werden, um sich der Breite des aufzuheizenden Werkstückes anzupassen.ίο during the heating process, the workpiece Ai rotates in the direction of the arrow Fi . The electricity is supplied at Di. The inductor can be pivoted in the direction of arrow Gi in order to adapt to the width of the workpiece to be heated.

Fig. 3 zeigt einen Induktor zum Aufheizen eines zylindrischen Werkstückes A 2, beispielsweise eine Walze, und zwar im Vorschubverfahren. Das Werkstück A 2 läuft in Richtung des Pfeiles F 2 um und wird relativ zum Induktor in Richtung des Pfeiles / bewegt. Der Induktor besteht auch hier aus einem elliptischen Leiter C 2. Er wird mit einem Strom geeigneter Frequenz bei Ό 2 gespeist. Damit der Induktor sich verschiedenen Werkstückdurchmessern und Werkstücklängen anpassen kann, ist er in Richtung des Pfeiles G 2 schwenkbar. Hierdurch wird die Länge der geheizten Zone verändert, wie durch den Pfeil K angedeutet. Wenn dem Erhitzen ein Härten nachfolgen soll, wird eine geeignete Brause etwa auf die Linie L vorgesehen. Die gleiche Induktorart kann auch für das Gesamtflächenerhitzen bzw. Härten von Werkstücken verwendet werden.Fig. 3 shows an inductor for heating a cylindrical workpiece A 2, for example a roller, in the feed process. The workpiece A 2 revolves in the direction of the arrow F 2 and is moved relative to the inductor in the direction of the arrow /. Here, too, the inductor consists of an elliptical conductor C 2. It is fed with a current of suitable frequency at Ό 2. So that the inductor can adapt to different workpiece diameters and workpiece lengths, it can be pivoted in the direction of arrow G 2. This changes the length of the heated zone, as indicated by the arrow K. If the heating is to be followed by hardening, a suitable shower head is provided on line L, for example. The same type of inductor can also be used for total surface heating or hardening of workpieces.

Um besonders gute Wirkungsgrade zu erzielen, kann der Induktor mit Eisenjochen versehen werden, und zwar aus festem Werkstoff, aus gepreßtem Pulver oder lamelliert hergestellten Jochen.In order to achieve particularly good levels of efficiency, the inductor can be provided with iron yokes, namely made of solid material, pressed powder or laminated yokes.

Fig. 4 zeigt ein Muster eines Eisenjoches dieser Art. Um die Joche der annähernd elliptischen Form des Induktors anzupassen, ist es ratsam, Heizleiter mit Querschnitten zu benutzen, wie sie bei C 3 in Fig. 4 gezeigt sind. Kreisförmige Querschnitte können ebenfalls benutzt werden. Die Joche M sind gleichfalls von ringförmigem oder bogenförmigem Querschnitt, so daß sie der Oberfläche des Werkstückes angepaßt werden können, indem sie in Richtung des Pfeiles 0 verschoben werden. Zwischen den Jochen M und dem Heizleiter C 3 ist eine wärmewiderstandsfähige Isolation N vorgesehen.4 shows a pattern of an iron yoke of this type. In order to adapt the yokes to the approximately elliptical shape of the inductor, it is advisable to use heating conductors with cross-sections as shown at C 3 in FIG. Circular cross-sections can also be used. The yokes M are also of an annular or arcuate cross-section, so that they can be adapted to the surface of the workpiece by being moved in the direction of the arrow 0 . A heat-resistant insulation N is provided between the yokes M and the heating conductor C 3.

Die Form des Induktors gemäß der Erfindung gestattet solchen Induktoren, in einfacher Weise sich allen praktischen Erfordernissen anzupassen. Sie ermöglichen eine Temperaturverteilung in jeder beliebigen Form. Infolge ihrer besonderen Ausführung sichern sie einen guten Wirkungsgrad für einen weiten Bereich von Durchmessern und Breiten, so daß es nicht notwendig ist, eine große Anzahl Induktoren in Bereitschaft zu halten.The shape of the inductor according to the invention allows such inductors to be simple adapt to all practical requirements. They allow temperature distribution in each any shape. Due to their special design, they ensure good efficiency for a wide range of diameters and widths so that it is not necessary to have a large number Keep inductors ready.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Induction heating coil for heating workpieces, especially with circular ones or similarly shaped cross-section, characterized in that the heating conductor of the preferably single-turn inductor is narrower than the width of the workpiece section to be heated and in the case of an approximately elliptical shape, the longitudinal axis of the coil with the workpiece axis forms such an angle that the workpiece section is heated during (relative) rotation will.

2. Induction coil according to claim 1, characterized in that opposite the points of the Workpiece on which a stronger thermal effect is desired, the heating conductor for example forms a more acute angle with the workpiece axis near the vertex of the ellipse than on its remaining length.

Considered publications:
German patent specification No. 626463.

1 sheet of drawings

1 609 872 4.1 609 872 4.