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Verfahren und Heizgerät zum fortschreitenden Erwärmen von langgestreckten
Werkstücken mit ebener Oberfläche Zum Erwärmen von Werkstücken, insbesondere dann,
wenn es sich darum handelt, diese Erwärmung zum Zwecke des Oberflächenhärtens nur
oberflächlich durchzuführen, werden bekanntlich sowohl Induktionsspulen als auch
Gasbrenner in Form von Schlitzbrennern od. dgl. benutzt. Induktionsspulen und Brenner
sind so ausgebildet, daß sie mit ihren Heizteilen die Werkstückoberfläche in Querrichtung
überspannen, und während sich das Werkstück unter dem Heizteil des jeweiligen Heizgerätes
in Längsrichtung hindurchbewegt, findet fortschreitend eine Linien- oder streifenförmige
Erwärmung statt, die bis zu einer gewissen Tiefe in das Werkstück eindringt. Unmittelbar
anschließend an das Aufheizen findet zum Zwecke des Härtens ein Abschrecken statt.
Bei den bekannten Verfahren steht das Heizgerät mit seinem Heizteil senkrecht zur
Vorschubrichtung des Werkstückes.
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Bei der Durchführung der bekannten Verfahren wird ein mehr oder minder
großer Verzug des Werkstückes beobachtet. Die Gefahr des Verzuges ist um so größer,
je größer die Längserstreckung des Werkstückes ist. Der Verzug hängt außerdem ab
von der besonderen Form des Werkstückes und auch von der Werkstoffart, insbesondere
der Zusammensetzung des Werkstoffes, wie Kohlenstoffgehalt od. dgl. Die Ursache
für den Verzug, der vielfach sogar in Längs- und Querrichtung gleichzeitig eintritt,
ist zweifellos in dem Entstehen von
Wärme- und Härtespannungen zu
suchen, ohne daß jedoch vollkommen klare Erkenntnisse darüber herrschen, wie der
Verzug in den beiden Richtungen zustande kommt.
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Es sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden, wie der Verzug
zu verringern sei. Vorschläge dieser Art, die nicht zum vorbekannten Stand der Technik
gehören, sind beispielsweise ein gewisses Vorwärmen der zu härtenden Fläche des
Werkstückes oder auch des gesamten Werkstückes. Auch ist schon vorgeschlagen worden,
mit oder ohne Vorwärmen der zu härtenden Oberfläche gleichzeitig auch die abgekehrte,
_nicht zu härtende Fläche auf bestimmte Temperaturen zu erwärmen. Des weiteren ist
versucht worden, die Auswirkung der Spannungen durch Festklemmen der langgestreckten
Werkstücke, wie Platten, Bleche od. dgl., an einer starren Unterlage zu unterbinden.
Die genannten Vorschläge sind gemacht worden sowohl in Verbindung mit induktivem
Aufheizen als auch mit Aufheizen durch Gasbrenner. Diese Maßnahmen haben nicht in
allen Fällen dazu geführt, daß der Verzug in befriedigendem Maße unterbunden werden
konnte.
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Es ist ferner für die Wärmebehandlung, insbesondere das Oberflächenhärten
von zylindrischen Werkstücken, vorgeschlagen worden, das Heizgerät schräg zur Achse
des Werkstückes und damit zur Vorschubrichtung zu stellen. Damit sollte die-Entstehung
von Schlupfstellen, das sind Stellen geringerer oder ungleichmäßigerer Oberflächenhärten,
beseitigt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sowohl
der ballige Verzug in Längsrichtung als auch der hohle Verzug in Querrichtung der
langgestreckten, ebenen Werkstücke dann vermieden oder jedenfalls auf ein Mindestmaß
beschränkt werden kann, wenn die fortschreitende Linien- oder streifenförmige Erhitzung
in einer Richtung erfolgt, die im Gegensatz zur bisherigen Übung nicht senkrecht
zur Vorschubrichtung des Werkstückes erfolgt, sondern in einer von dieser Senkrechten
um gewisse Beträge abweichenden Richtung. Dieses Verfahren ist sowohl für das Erhitzen
mit Induktionsspulen als auch mit Brennern voll wirksam, und die bisher bekannten
Anordnungen sind nur insofern abzuwandeln, als der Heizteil schräg oder gebrochen
schräg zur Vorschubrichtung angeordnet werden muß. Abgesehen von einem einfachen
Schrägstellen eines Heizgerätes mit geradlinigem Heizteil kann dies unter anderem
dadurch geschehen, daß der Heizteil einfach oder mehrfach V-förmig oder einfach
oder mehrfach bogenförmig ausgebildet wird.
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Die Größe der einzustellenden Abweichung von der Senkrechten zur Vorschubrichtung
ist bei der Behandlung verschiedener Werkstücke und verschiedener Werkstoffarten
verschieden und läßt sich durch Stichversuche ermitteln. In vielen Fällen reichen
außerordentlich geringe Abweichungen aus, um einen vollen Erfolg zu erzielen.
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Im nachfolgenden werden an Hand einer Reihe schematischer Abbildungen
das Verfahren und die zu treffendenAnordnungen erläutert. In den Zeichnungen ist
der Einfachheit halber das Heizgerät bzw. der Heizleiter im allgemeinen durch eine
strichpunktierte Linie angedeutet.
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In Abb. i ist zum Vergleich die Art dargestellt, wie bisher mittels
Spulen oder Brennern ein langgestrecktes Werkstück erhitzt worden ist. Das Werkstück
i wird fortschreitend in der Richtung des Pfeiles 2 unter dem Heizgerät 3 hindurchbewegt.
Das Heizgerät 3 steht senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstückes.
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Zur Vermeidung des Verzuges in Längs- und Querrichtung wird gemäß
der Erfindung der Heizteil des Heizgerätes so eingestellt, daß er nicht mehr senkrecht
zur Vorschubrichtung steht. Die einfachste Form der Anordnung des Heizgerätes ist
die, daß der Heizteil einen einfachen Winkel mit der Senkrechten zur Vorschubrichtung
bildet, wie aus Abb. 2 ersichtlich. Das Werkstück i bewegt sich in Richtung des
Pfeiles 2, und das Heizgerät q. wird in einem Winkel zur Senkrechten 3 zur Vorschubrichtung
angeordnet. Die Größe des Winkels 5 ist in Anpassung an die Ausbildung des Werkstückes,
d. h. in Anpassung an seine Länge, Breite und Dicke, zu wählen. Welcher Winkel im
einzelnen Fall einzustellen ist, ergibt sich in einfacher Weise durch einige Stichversuche.
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Der Winkel s ist in Abb. 2, wie im übrigen auch bei den weiteren Abbildungen,
zur Verdeutlichung verhältnismäßig groß gezeichnet. Es genügt jedoch in vielen Fällen,
wenn die Abweichung von der Senkrechten zur Vorschubrichtung sehr klein ist und
der Winkel s mithin nur wenige Grade beträgt.
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Wenn das Werkstück vollkommen gleichmäßig ist, so ist es unerheblich,
ob der Winkel, den das Heizgerät q. mit der Senkrechten 3 bildet, wie bei 5 angedeutet,
positiv ist oder negativ wie bei 5'. Das gleiche gilt auch dann, wenn das Werkstück
symmetrisch zur Mittellinie verteilte Aussparungen, Bohrungen od. dgl. aufweist.
Sind jedoch Aussparungen, Einfräsungen od. dgl., wie bei 6 angedeutet, unsymmetrisch
auf der Oberfläche des Werkstückes verteilt, so wird es beispielsweise zweckmäßig
sein, den Heizleiter q.' unter einem Winkel 5' zur Senkrechten 3 anzuordnen.
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Eine besonders günstige Wirkung bezüglich der Vermeidung des Verzuges
in beiden Richtungen wird erzielt, wenn das Heizgerät so ausgebildet wird, wie dies
in Abb. 3 gezeigt ist. Außerdem wird durch diese Anordnung in bezug auf das Heizgerät
selbst ein Vorteil dadurch erzielt, daß das Gerät eine besonders innere Festigkeit
aufweist. Wie ersichtlich, ist das Heizgerät V-förmig ausgebildet, wobei die symmetrisch
zur Vorschubrichtung 2 angeordneten Schenkel des V jeweils mit der Senkrechten 3
zur Vorschubrichtung einen Winkel 5 bzw. 5' bilden.
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Wird dazu übergegangen, die Spitze des V-förmigen Heizgerätes q. abzurunden,
so gelangt man zu mehr oder minder bogenförmigen Ausbildungen des Heizgerätes, wie
sie in Abb. q. dargestellt sind. Je nachdem, wie der Halbmesser 5 bzw. 5' des
bogenförmigen
oder elliptischen Heizleiters bzw.4' gewählt wird, ergibt sich ein mehr oder minder
starkes Abweichen der fortschreitenden Linien- oder streifenförmigen Erhitzung von
der Senkrechten 3 zur Vorschubrichtung. Genauso wie der Winkel 5 bei den bisher
erörterten Anordnungen sehr kleine Werte annehmen kann, können auch die Bogen ein
äußerst geringes Maß des Al,-weichens von der geradlinigen Senkrechten 3 aufweisen.
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Sowohl bei einer Anordnung nach Abb. 3 als auch nach Abb. 4 kann das
Werkstück wahlweise in beiden Richtungen unter dem Heizgerät hindurchbewegt werden,
wie durch die Pfeile 2 bzw. 2' angedeutet.
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Die Abb. 5 und 6 behandeln die Fälle, in denen bei einer V- oder bogenförmigen
Ausbildung des Heizgerätes das Werkstück asymmetrisch zur Vorschubrichtung angeordnete
Aussparungen, Bohrungen, Einfräsungen 6 od. dgl. aufweist. Um in einem solchen Fall
ein gleichmäßiges Aufheizen der Oberflächen zu gewährleisten, muß auch die V- oder
bogenförmige Ausbildung des Heizgerätes entsprechend asymmetrisch sein, wie dies
in beiden Abbildungen bei 4 angedeutet ist. Das Maß der Asymmetrie muß durch einige
Stichversuche ermittelt werden.
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Wenn es sich darum handelt, vergleichsweise breite Werkstücke zu erwärmen
bzw. zu härten, so empfiehlt es sich, wie aus den Abb. 7 und S ersichtlich, das
Heizgerät zwei- oder mehrfach V-förmig bzw. zwei- oder mehrfach bogenförmig auszubilden.
Hierdurch wird erreicht, daß das Heizgerät einen gedrängteren Aufbau erfahren kann,
als wenn es nur einfach V- oder bogenförmig ausgebildet wird.
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Wie aus den Darlegungen ersichtlich, ergeben sich weder für die Ausbildung
einer Induktionsspule noch für die Ausbildung eines Gasbrenners zur Durchführung
des Verfahrens irgendwelche konstruktiven Schwierigkeiten, und wie im einzelnen
Fall die Ausbildung zu treffen ist, wird sich für den Fachmann von selbst ergeben.
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Für die elektrische Erwärmung mittels hochfrequenzgespeister Heizgeräte
sind zwei mögliche Ausbildungsformen in den Abb. 9 und io in Aufsicht dargestellt.
Nach Abb.9 ist der eigentliche Heizleiter i i des Heizgerätes in V-Form angeordnet.
Er besteht aus einem kühlmitteldurchflossenen Kupferrohr, in dem Stutzen 12 zur
abschnittweisen Zu- und Ableitung der Kühlflüssigkeit vorgesehen sind. Das Kühlmittel,
zweckmäßigerweiseWasser, dient gleichzeitig der Kühlung des Heizleiters und zum
Abschrecken des aufgeheizten Werkstückes, wie noch näher erläutert wird. Der Heizleiter
i i ist mit Zuleitungen 13 großen Querschnitts versehen, die in Anschlußflanschen
14 enden. Die Flansche sind bei 15 voneinander isoliert. Der Abstand zwischen dem
Heizleiter i i und den Leitern 13 ist so zu wählen, daß eine Platte zwischen
diesen beiden Teilen unter Berücksichtigung der erforderlichen Kopplung zwischen
Werkstück und Heizgerät hindurchgeführt werden kann. Je nachdem in welcher Richtung
sich die zu härtende Platte durch das Heizgerät hindurchbewegt, tritt das Abschreckwasser
in der gestrichelt gekennzeichneten Richtung 1.6 oder in entgegengesetzter Richtung
17 aus. Das aus dem Heizleiter i i austretende Kühlwasser führt unmittelbar das
Abschrecken der aufgeheizten Oberfläche herbei. Da in der Ausbildung nach Abb. 9
die Stromzuführungsschienen 13 die gleiche Linienführung aufweisen wie der
Heizleiter i i, d. h. also Heizleiter und Stromzuführungsschienen unmittelbar übereinanderliegen,
ist ein besonders günstiger elektrischer Wirkungsgrad gewährleistet, da Werkstück
und Heizgerät in guter Kopplung zueinander stehen.
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In Abb. io ist unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie in
Abb. 9 für entsprechende Teile ein ebenfalls für die Plattenhärtung geeignetes Heizgerät
dargestellt, bei welchem jedoch der Heizleiter i i bogenförmig ausgebildet ist.
Die Stromzuführungsschienen 13 liegen senkrecht zur Vorschubrichtung und weisen
mithin eine andere Linienführung auf als der Heizleiter i i. Ein Vorzug dieser Ausführungsform
eines Induktors ist der feste mechanische Aufbau infolge der geradegeführten Stromzuführungsschienen
13. Die Ausführungsform bietet weiterhin günstige Gelegenheit für die Kühlung
der nicht zu härtenden Plattenrückseite.
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Verfahren und Anordnungen gemäß der Erfindung sind beschrieben worden
in Verbindung mit der Behandlung von Platten oder Blechen. Die Anwendung der Erfindung
ist aber nicht auf die Behandlung solcher ebenen, langgestreckten Körper beschränkt,
sie kann vielmehr sinngemäß auch für andere Werkstückformen angewendet werden. So
ist beispielsweise in Abb. i i und 12 in Aufsicht und senkrechtem Querschnitt eine
Führungsschiene 2i dargestellt, die mit Härteschichten 28 versehen werden soll.
Zu diesem Zweck wird ein Heizgerät 24 in V-Form verwendet, dessen Schenkel um den
Winkel 25 von der Senkrechten 23 zur Vorschubrichtung abweichen, während das Werkstück
in der Richtung 22 oder 22' durch das Heizgerät hindurchbewegt werden kann. An Stelle
der V-förmigen Ausbildung des Heizgerätes kann beispielsweise auch eine bogenförmige
Ausbildung gewählt werden. Durch diese Maßnahmen können bei diesen und ähnlichen
Körpern Verzugserscheinungen, die auf Härte- und Wärmespannungen zurückzuführen
sind, vermieden werden.