DE820946C - Device for electro-inductive heating of metallic workpieces - Google Patents
Device for electro-inductive heating of metallic workpiecesInfo
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Description
Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken Bekanntlich kann man Werkstücke oder Werkstückteile dadurch erhitzen, daß in der Nähe dieser Teile stromführende Spulen angeordnet werden, welche mit einem elektrischen Strom höherer Frequenz gespeist werden. Durch die im Werkstück entstehenden Wirbelströme erfolgt die gewünschte Erhitzung, welche an der Oberfläche beginnend in Abhängigkeit von der Höhe der Frequenz stattfindet. Dieses Verfahren wird sowohl für die teilweise oder durchgehende Erhitzung von metallischen Werkstücken als auch für deren Oberflächenhärtung verwendet, wobei dann anschließend ein Abschrecken mit einem Kühlmittel erfolgt. Bei der Oberflächenhärtung wird ,eine Härteschicht nur dort erzielt, wo Wirbelströme fließen. Im allgemeinen ist es erwünscht, eine möglichst gleichmäßige Ausbildung der Härteschicht zu erreichen bzw. die Eindringtiefe der Härtung an allen Stellen des Werkstückes beliebig zu beeinflussen.Device for electroinductive heating of metallic workpieces As is known, you can heat workpieces or workpiece parts that in the In the vicinity of these parts current-carrying coils are arranged, which are connected to an electrical Higher frequency current can be fed. Due to the eddy currents generated in the workpiece the desired heating takes place, which starts depending on the surface on the level of the frequency takes place. This procedure is used for both the partial or continuous heating of metallic workpieces as well as for their surface hardening used, then subsequently quenching with a coolant. With surface hardening, a hardening layer is only achieved where eddy currents flow. In general, it is desirable for the formation to be as uniform as possible to achieve the hardness layer or the penetration depth of the hardening at all points to influence the workpiece as desired.
Es gibt jedoch auch Fälle, bei denen die Eindringtiefe der Erwärmung und damit die Härtetiefe nicht gleichmäßig ausgebildet sein soll. Beispielsweise wird vielfach verlangt, daß ein Werkstück nur an bestimmten Stellen der Oberfläche oder einseitig mit einer dünnen Härteschicht versehen wird.However, there are also cases where the penetration depth of the heating and so the hardness depth should not be uniform. For example it is often required that a workpiece only at certain points on the surface or is provided with a thin hardening layer on one side.
Die Lösung dieser Aufgaben ist mit den bisher bekannten Vorrichtungen schwer möglich. Es sind zwar bereits verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um beispielsweise eine gleichmäßige Oberflächenhärtung von Zapfen zu erzielen, die von unsymmetrischen Werkstückteilen begrenzt werden, wie beispielsweise ein Zapfen einer Kurbelwelle. Es ist jedoch hierzu ein verhältnismäßig großer Aufwand an zusätzlichem Werkstoff erforderlich oder aber die gewünschte Wirkung tritt nicht in hinreichendem Maße ein. Auch den Kopplungsgrad bei gleichbleibendem Querschnitt des Heizleiters unterschiedlich zu gestalten, ist vorgeschlagen worden. Dieses Mittel ist ebenfalls umständlich und führt nicht mit Sicherheit zum gewünschten Ergebnis. Bei Rückleiterästen von Induktoren, die nicht aufheizend auf das Werkstück, sondern nur abschirmend gegenüber der Umgebung wirken sollen, ist auch schon gänzlich auf eine Kopplung mit dem Werkstück verzichtet worden, wobei gleichzeitig diese Rückleiter andere Querschnittsabmessungen aufweisen als die dem Werkstück eng benachbarten Heizleiter.The solution to these problems is with the previously known devices hardly possible. Various devices have already been proposed, for example a uniform Surface hardening of tenons to achieve that are limited by asymmetrical workpiece parts, such as a journal of a crankshaft. However, this is a relatively great effort additional material is required or the desired effect does not occur to a sufficient extent. Also the degree of coupling with the same cross-section to design the heating conductor differently has been proposed. This means is also cumbersome and does not definitely lead to the desired result. In the case of return conductor branches of inductors that do not heat up the workpiece, but rather should only act as a shield against the environment is already completely open a coupling with the workpiece has been dispensed with, with this return conductor at the same time have different cross-sectional dimensions than those closely adjacent to the workpiece Heating conductor.
Demgegenüber wird zur Vermeidung der Nachteile bekannter Vorrichtungen gemäß der Erfindung vorgeschlagen, bei einer über die gesamte Erstreckung des Heizleiters bestehenden Kopplung zum Werkstück den Leiterquerschnitt gegenüber Werkstückteilen mit erhöhtem Wärmebedarf kleiner zu gestalten als gegenüber Werkstückteilen mit geringerem Wärmebedarf oder gegenüber solchen, die praktisch keine Aufheizung erfahren sollen. Der Leiterquerschnitt des Heizleiters wird somit längs der Oberfläche des zu erwärmenden Werkstückes in Richtung der Strombahnen ungleich ausgebildet. Die Erfindung ermöglicht auf diese Weise erst, Werkstücke oder Werkstückteile an der Oberfläche mit einer Härteschicht verschiedener Tiefe und Ausdehnung zu versehen, im Grenzfall sogar eine teilweise oder nur einseitige Erhitzung und damit Härtung herbeizuführen. Auch kann Ungleichmäßigkeiten der Erwärmung infolge elektrischer Streuungen und unterschiedlicher Wärmeabfuhr begegnet werden.In contrast, to avoid the disadvantages of known devices proposed according to the invention, with one over the entire extent of the heating conductor existing coupling to the workpiece, the conductor cross-section compared to workpiece parts to make smaller with increased heat demand than compared to workpiece parts with lower heat demand or compared to those that experience practically no heating should. The conductor cross-section of the heating conductor is thus along the surface of the workpiece to be heated unevenly formed in the direction of the current paths. the Invention in this way only enables workpieces or workpiece parts to be attached to the To provide the surface with a hardening layer of various depths and dimensions, in the borderline case even partial or only one-sided heating and thus hardening bring about. There can also be non-uniformities in the heating due to electrical Scatters and different heat dissipation are encountered.
Zur näheren Veranschaulichung der Erfindung sollen die Verhältnisse beim Erwärmen eines Zapfens betrachtet werden, der von zwei unsymmetrischen Werkstückteilen (Kurbelwangen) begrenzt wird. Nach dem Bekannten wird die gleichmäßige Eindringtiefe dadurch erzielt, daß die Kopplung zwischen Heizgerät und Werkstück exzentrisch ausgebildet wird. Es kann aber auch durch Ausgleichsstücke, welche auf die unsymmetrischen Werkstückteile aufgesetzt werden, eine gleichmäßige Eindringtiefe sichergestellt werden. Die Erfindung löst die Aufgabe, eine gleichmäßige Erhitzungstiefe über den ganzen Umfang des zu härtenden Werkstückteils zu erzielen auf Grund folgender Überlegungen: Annähernd sind die erzeugten Wirbelströme im Werkstück ein Abbild der Heizströme im Heizgerät mit einer Phasenverschiebung von etwa 18o°. Es wird nun das Ileizgerät so ausgebildet, daß an Stellen großer Streuung und großer Wärmeabfuhr ein geringerer Leiterquerschnitt vorgesehen wird als an Stellen kleiner Streuung und kleiner Wärmeabfuhr. Hierdurch wird gemäß der Erfindung der Vorteil erzielt, daß an Stellen großer Streuung und Wärmeabfuhr eine Konzentration der Stromfäden im Heizgerät in unmittelbarer Nähe des Werkstückes erzielt wird. An Stellen geringer Wärmeabfuhr und Streuung wird diese Konzentration vermieden. Da die Wirbelströme im Werkstück nach dem oben Gesagten annähernd ein .Abbild der Heizströme sind, ist auch die Konzentration der Wirbelströme an Stellen großer Wärmeabfuhr größer als an Stellen geringer Wärmeabfuhr.For a more detailed illustration of the invention, the ratios be considered when heating a pin, that of two asymmetrical workpiece parts (Crank webs) is limited. According to the known, the uniform depth of penetration will be achieved in that the coupling between heater and workpiece is eccentric will. But it can also be done by compensating pieces, which are attached to the asymmetrical workpiece parts be placed, a uniform penetration depth can be ensured. The invention solves the problem of a uniform heating depth over the entire circumference of the too to achieve hardening workpiece part on the basis of the following considerations: Approximately the eddy currents generated in the workpiece are an image of the heating currents in the heater with a phase shift of about 18o °. The icing device is now designed in such a way that that at points of great scattering and great heat dissipation a smaller conductor cross-section is provided as in places of small scatter and small heat dissipation. Through this is achieved according to the invention, the advantage that in places of great scatter and Heat dissipation a concentration of the current filaments in the heater in the immediate vicinity of the workpiece is achieved. In places where there is little heat dissipation and scattering avoided this concentration. Since the eddy currents in the workpiece according to the above The concentration of the eddy currents is also approximately an image of the heating currents greater heat dissipation in places than low heat dissipation places.
Das Heizgerät wird nun so ausgebildet, daß nicht nur die Verschiedenheit der Wärmeabfuhr ausgeglichen wird, sondern auch ein Ausgleich der verschiedenen Streuungen eintritt. Naturgemäß erfolgt die Erhitzung der Werkstückoberfläche an den Stellen stark konzentrierter Wirbelströme schneller als an solchen Stellen, an denen die Wirbelströme weniger stark konzentriert sind. Demgemäß wird an Stellen großer Wärmeabfuhr zunächst eine höhere Oberflächentemperatur erzwungen, so daß die beschriebene Streuung und Wärmeabfuhr vollständig ausgeglichen wird.The heater is now designed so that not only the difference the heat dissipation is compensated, but also a compensation of the various Scatter occurs. The workpiece surface is naturally heated on the places of strongly concentrated eddy currents faster than in such places, where the eddy currents are less concentrated. Accordingly, in places large heat dissipation initially forced a higher surface temperature, so that the described scattering and heat dissipation is fully compensated.
Die Abb. i und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens für die Härtung von Kurbelzapfen in Längs- und Querschnitt. Es ist hierbei nicht von Bedeutung, ob das Heizgerät ein- oder mehrwindig ausgebildet ist und unmittelbar oder über einen Zwischentransformator an die Energiequelle angeschlossen wird. i sei der an der Oberfläche zu härtende Zapfen, welcher von den unsymmetrischen Werkstückteilen 2 begrenzt wird. 3 ist das in diesem Beispiel einwindig ausgebildete Heizgerät. Gemäß der Erfindung hat dieses an Stellen großer Wärmeabfuhr und Streuung einen geringeren Querschnitt 4 als an den Stellen geringer Wärmeabfuhr und Streuung (vgl. bei 5).Figs. I and 2 show an embodiment of the inventive concept for the hardening of crank pins in longitudinal and cross-section. It is not here It is important whether the heater is designed with one or more windings and is immediate or connected to the energy source via an intermediate transformer. i be the pin to be hardened on the surface, which of the asymmetrical workpiece parts 2 is limited. 3 is the single-wind heater in this example. According to the invention, this has a high heat dissipation and scattering points smaller cross-section 4 than at the points of low heat dissipation and scattering (cf. at 5).
Sind die zu härtenden Werkstücke von Teilen begrenzt, deren Querschnitt sich sprunghaft ändert, so wird die Spule nicht wie in Abb. i und 2 mit kontinuierlich sich änderndem Leiterquerschnitt versehen, sondern mit sprunghaften Änderungen des Querschnittes.Are the workpieces to be hardened limited by parts whose cross-section changes abruptly, the coil does not become continuous as in Fig. i and 2 changing conductor cross-section, but with sudden changes in the Cross-section.
Ist die Ausbildung der begrenzenden unsymmetrischen Teile verschieden, so erfolgt die Ausbildung des Heizgerätes gemäß _Abb. 3 derart, daß die Querschnittveränderung des Heizleiters sowohl in Richtung der Strombahnen als auch senkrecht dazu erfolgt. Die Ausbildung des Heizgerätes kann auch lamellenförmig sein, wie in :1b1. q dargestellt. Das Heizgerät besteht aus Kupfer, in welchem Lamellen 29 aus Isolierstoff eingesetzt sind, die verschieden tief in den Kupferkörper hineinragen. Der Querschnitt 27 ist für die Ausbildung der Erhitzungstiefe maßgebend, während der Querschnitt 28 nur zur Vergrößerung der Kühlflächen und zur Verstärkung des Heizgerätes dient.If the design of the limiting asymmetrical parts is different, the heater is designed according to _Fig. 3 such that the change in cross section of the heating conductor takes place both in the direction of the current paths and perpendicular to them. The design of the heater can also be lamellar, as in: 1b1. q shown. The heater is made of copper, in which lamellae 29 made of insulating material which protrude differently deep into the copper body. The cross section 27 is decisive for the formation of the heating depth, while the cross section 28 only serves to enlarge the cooling surfaces and to strengthen the heater.
Weiterhin kann das Heizgerät auch finit senkrecht zur Strombahn verlaufenden Schlitzen versehen sein, durch welche eine Konzentration der Erhitzung im Werkstück gegenüber den nicht geschlitzten "feilen des Heizgerätes erfolgt.Furthermore, the heater can also run finitely perpendicular to the current path Slits should be provided, through which a concentration of the heating in the workpiece compared to the non-slotted "files of the heater.
Soll als Heizgerät eine mehrwindige Spule Verwendung finden, so wird in diesem Falle der pulenquerschnitt jeder einzelnen Windung an den S 1 erforderlichen Stellen vergrößert oder verkleinert oder nach dem Erfindungsgedanken lamellenförmig oder geschlitzt ausgebildet.If a multi-turn coil is to be used as the heating device, in this case the coil cross-section of each individual turn is enlarged or reduced in the required places at S 1 , or lamellar or slotted according to the concept of the invention.
Die beschriebene Vorrichtung ist jedoch nicht auf die Verwendung zur Behandlung runder, zylindrischer Werkstücke beschränkt. Gemäß dem Erfindungsgedanken kann auch jedes anders geformte Werkstück in einer vorher zu bestimmenden Art, Ausdehnung und Tiefe erhitzt werden.However, the device described is not intended for use Treatment of round, cylindrical workpieces is limited. According to the idea of the invention can also be any differently shaped workpiece in a manner to be determined beforehand, expansion and depth are heated.
Die Abb. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens für die einseitige Oberflächenhärtung von langgestreckten Werkstücken wie beispielsweise Platten oder Blechen in Ansicht und Aufsicht. Auch zum einseitigen Erhitzen von Schienen o. dgl. ist eine solche Anordnung verwendbar.Figs. 5 and 6 show an embodiment of the inventive concept for the one-sided surface hardening of elongated workpieces such as Plates or sheets in view and top view. Also for one-sided heating of Such an arrangement can be used for rails or the like.
Das Werkstück 31 soll in der Zone 32 erhitzt werden. Hierzu wird das ein- oder mehrwindige Heizgerät 33 verwendet, welches entsprechend der Erfindung in der Nähe der zu erhitzenden Oberfläche mit geringem Querschnitt 34 ausgeführt ist, während der Querschnitt 36 gegenüber den nicht zu erhitzenden Teilen verhältnismäßig groß ist. Die Wirkung kann dadurch verstärkt werden, daß die Kopplung zwischen Werkstück und Heizgerät an den zu erhitzenden Stellen geringer ist als an den nicht zu erhitzenden Stellen. Um in dem gezeichneten Beispiel eine Überhitzung der Werkstückkanten zu vermeiden, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bereits vor oder an diesen Stellen der Querschnitt 35 des Heizleiters kontinuierlich oder sprunghaft verstärkt werden. Außerdem kann auch hier eine Vergrößerung der Kopplung 37 vorgesehen werden. Die Vergrößerung des Heizleiterquerschnittes ist bei diesem Beispiel sowohl in Richtung der Werkstückoberfläche als auch senkrecht dazu zulässig. In beiden Fällen wird die gewünschte Wirkung erzielt. Die genaue Ausbildung des Leiterquerschnittes richtet sich in jedem Fall nach der Werkstückform und nach der Beschaffenheit der geforderten Härtezone, der Frequenz und Leistung der Energiequelle und nach der erwünschten Erhitzungszeit.The workpiece 31 is to be heated in the zone 32. For this purpose, the single or multi-turn heater 33 is used, which is designed according to the invention in the vicinity of the surface to be heated with a small cross-section 34, while the cross-section 36 is relatively large compared to the parts not to be heated. The effect can be enhanced by the fact that the coupling between the workpiece and the heater is less at the points to be heated than at the points not to be heated. In order to avoid overheating of the workpiece edges in the example shown, according to a further development of the invention, the cross-section 35 of the heating conductor can be reinforced continuously or abruptly before or at these points. In addition, an enlargement of the coupling 37 can also be provided here. In this example, the increase in the cross-section of the heating conductor is permissible both in the direction of the workpiece surface and perpendicular to it. In both cases, the desired effect is achieved. The exact formation of the conductor cross-section depends in each case on the shape of the workpiece and the nature of the required hardening zone, the frequency and power of the energy source and the desired heating time.
Die Abb. 7 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens eine Anordnung zum Erhitzen der Oberfläche von dünnen Werkstückteilen, beispielsweise Sägen. In diesem Fall soll das Werkstück 41 nur an der Stelle 42 erhitzt werden.Fig. 7 shows a further embodiment of the inventive concept an arrangement for heating the surface of thin workpiece parts, for example Saws. In this case, the workpiece 41 should only be heated at the point 42.
Hierzu wird das Heizgerät so ausgebildet, daß es gegenüber der nicht zu erhitzenden Werkstückoberfläche mit größerem Querschnitt 44 bei großer Kopplung 47 ausgeführt wird. Gegenüber dem zu erhitzenden Teil der Werkstückoberfläche 42 wird jedoch ein geringer Querschnitt 43 mit geringer Kopplung 48 vorgesehen. In diesem Fall ist das Heizgerät mehrwindig ausgebildet, der Strom wird durch die Zuführung 45 an einem Spulenende zugeführt und durch 46 entsprechend vom anderen Spulenende weggeführt.For this purpose, the heater is designed so that it is not opposite to the workpiece surface to be heated with a larger cross section 44 with a large coupling 47 is executed. Opposite the part of the workpiece surface 42 to be heated however, a small cross-section 43 with a low coupling 48 is provided. In In this case, the heater is designed with multiple windings, the current is supplied through the feed 45 fed to one spool end and through 46 from the other spool end accordingly led away.
Abb. 8 zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens für das Erhitzen von Werkstücken, bei denen ein Überhitzen der äußeren Kanten vermieden werden muß. Gemäß dem Erfindungsgedanken wird die Konzentration der Wirbelströme durch einen geringen Heizleiterquerschnitt an der Seite des Werkstückes erzielt, während die Überhitzung der Kanten durch einen großen Leiterquerschnitt und große Kopplung vermieden wird.Fig. 8 shows an embodiment of the inventive concept for the Heating of workpieces in which overheating of the outer edges is avoided must become. According to the idea of the invention, the concentration of the eddy currents achieved by a small heating conductor cross-section on the side of the workpiece, while the overheating of the edges due to a large conductor cross-section and large Coupling is avoided.
In Abb. 9 und io ist ein Beispiel des Erfindungsgedankens für die Oberflächenhärtung von langgestreckten Teilen mit ebener oder annähernd ebener Oberfläche, beispielsweise Blechen, dargestellt, wobei Abb. 9 eine Ansicht und Abb. io eine Aufsicht der gleichen Vorrichtung ist. Das über dem Werkstück angeordnete, beispielsweise ein- oder mehrwindige Heizgerät ist so ausgebildet, daß der hintere Teil der Windungen 52 großen Querschnitt erhält, während der vordere Teil des Heizgerätes 53 geringen Querschnitt aufweist. Während bei der Verwendung eines Heizgerätes gleichen Ouerschnittes bei dieser Anordnung eine ovale Erhitzungszone im Werkstück auftreten würde, bildet sich bei der Anordnung gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung nur eine gestreckte, schmale Erhitzungszone aus. Dieses ist für die Oberflächenhärtung langer Werkstücke von außerordentlichem Vorteil. Erstens wird der Verzug während der Härtung durch die geringe Ausdehnung der Erhitzungszone auf ein Minimum beschränkt, zweitens ist bei der dargestellten Ausbildung des Heizgerätes das Auftreten zweier Erhitzungszonen gleicher Stärke und damit auch ein zu tiefes Eindringen der Erhitzung in das Werkstück vermieden. Der Teil 52 der Erhitzungsspule dient hierbei auf Grund seines großen Querschnittes und der damit verbundenen geringen Konzentration der Wirbelströme zur Vorwärmung auf niedere Temperaturen, während die eigentliche Rufheizung erst unter dem Teil des Heizgerätes erfolgt, welches den geringen Querschnitt 53 aufweist. Während bei den bekannten Anordnungen eine Überhitzung der Werkstückkanten nicht vermieden werden konnte, wird bei der beschriebenen Anordnung eine völlig gestreckte, gleichmäßige Erhitzungszone dadurch erzielt, daß in der Nähe der Werkstückkanten der Querschnitt 54 des Heizgerätes 53 verstärkt wird. Hierdurch wird an den Kanten eine größere Streuung und demgemäß eine geringere Konzentration der Wirbelströme hervorgerufen, so daß eine vollkommen gleichmäßige Erhitzungszone erzielt wird. Naturgemäß kann auch hier die Kopplung verschieden gestaltet werden, beispielsweise kann bei 53 eine enge Kopplung 56 und bei 52 eine weite Kopplung 57 vorgesehen werden, die sich unter den Teilen 5¢ allmählich erweitert, 58.In Fig. 9 and io is an example of the inventive idea for the Surface hardening of elongated parts with a flat or almost flat surface, for example sheets, shown, with Fig. 9 a view and Fig. io a Top view of the same device is. The one arranged above the workpiece, for example single or multi-turn heater is designed so that the rear part of the turns 52 has a large cross-section, while the front part of the heater 53 is small Has cross section. While using a heater the same cross-section with this arrangement an oval heating zone would occur in the workpiece In the arrangement according to this development of the invention, only one stretched, narrow heating zone. This is for the surface hardening of long workpieces of extraordinary advantage. First, the warpage is caused by hardening the small extent of the heating zone is limited to a minimum, secondly in the embodiment of the heater shown, the occurrence of two heating zones same strength and thus too deep penetration of the heating into the workpiece avoided. The part 52 of the heating coil is used here because of its large size Cross-section and the associated low concentration of eddy currents for preheating to lower temperatures, while the actual call heating is only takes place under the part of the heater which has the small cross section 53. While the known arrangements do not overheat the workpiece edges could be avoided, a completely stretched, uniform heating zone achieved by being in the vicinity of the workpiece edges the cross section 54 of the heater 53 is reinforced. This will work on the edges a greater scattering and accordingly a lower concentration of the eddy currents caused so that a perfectly uniform heating zone is achieved. Naturally, the coupling can also be designed differently here, for example a close coupling 56 can be provided at 53 and a wide coupling 57 at 52, which gradually expands under parts 5 ¢, 58.
Claims (5)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE820946C (en) |
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