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Spule oder Leiterschleife zum elektroinduktiven Erhitzen metallischer
Werkstücke Zum Erhitzen von metallischen Werkstücken bedient man sieh bekanntermaßen
der Induktionswirkung von Wechselströmen, wobei mittels Spulen oder Leiterschleifen,
die unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators an. die Stromquelle
angeschlossen werden, in den Werkstücken induzierte Ströme hervorgerufen werden.
Je nach ihrem Verlauf im Werkstück rufen diese induzierten Ströme mehr oder minder
starke Erwärmungen hervor, die sich entweder an der Oberfläche konzentrieren oder
in die Tiefe des Werkstückes eindringen. Das bekannte Mittel des induktiven Erhitzens
wird sowohl zum Erhitzen allein ausgenutzt als auch für die Härtung von Werkstücken,
indem nachfolgend die Werkstücke abgeschreckt werden.
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Für das Aufheizen ist es wesentlich, die Wärmewirkung an den Stellen
und in einer Stärke .entstehen lassen zu können, die dem Verwendungszweck des behandelten
Werkstückes angepaßt ist. Hierzu stehen bisher bereits einige Mittel zur Verfügung.
Durch Veränderung der Kopplung, d. h. also des Abstandes zwischen Heizleiter und
Werkstückoberfläche, kann eine Regelung der Aufheizwirkung in gewissen Grenzen.
hervorgerufen werden. Auch dadurch, daß der Heizleiter längs seiner Erstreckung
mit unterschiedlichen Querschnittsformen unterschiedlichen
Querschnittsflächeninhaltes
ausgerüstet wird; läßt sich die Heizwirkung beeinflussen, weil die Stromdichte im
Heizleiter sich mit den zur Verfügung stehenden Leiterquerschnitten ändert. Im allgemeinen
kann auch bei dieser Maßnahme nicht darauf verzichtet werden, den Kopplungsabstand
längs des Heizleiters verschieden groß zu machen. Diese Mittel werden für die einseitige,
allseitige oder teilweise Behandlung runder Zapfen, beliebig gekrümmter oder anders
geformter Werkstücke, ebener Bleche oder anderer langgestreckter Teile verwendet.
Dabei kann das Aufheizen der gesamten zu beliandelnden Oberfläche durch eine diese
überdeckende Spute ohne Relativbewegung zwischen Heizgerät und Werkstück erfolgen,
es können jedoch auch, durch einen oder mehrere in Längs- oder Querrichtung sich
erstreckende Heizleiter nur Teile der Gesamtoberfläche des Werkstückes aufgeheizt
und durch Relativbewegung zwischen- Heizgerät und Werkstück das gleichmäßige Aufheizen
der Oberfläche vorgenommen werden.
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Spulen oder Leiterschleifen, die unter Verwendung .dieser bekannten
Maßnahmen betrieben werden, bringen verschiedene Nachteile mit sich. Die Einstellung
unterschiedlicher Kopplungen an verschiedenen Stellen ein und derselben Heizeinrichtung
läßt sich nur schwer durchführen, da der Kopplungsabstand im allgemeinen je nach
Frequenz 0,5 bis 5 mm beträgt, und beispielsweise beiunbearbeiteten Werkstücken
beträgt vielfach bereits-die Toleranz für die Bearbeitungszugabe mehr als .der erforderliche
Kopplungsabstand. Die Anordnung von Querschnittsverminderungen zur Erhöhung der
Stromkonzentration. hat .den Nachteil, daß an diesen Stellen die Durchführung der
erforderlichen Kühlung erschwert ist'und andererseits der für die Halterung der
Einrichtung erforderliche Werkstoffquerschnitt vielfach nicht oder in nur unzureichendem
Maße zur Verfügung steht. Abgesehen hiervon erschweren die Mittel, die zum Einhalten
der verschicdenen Kopplungsgrade- erforderlich sind, nicht nur die Herstellung .der
-Vorrichtung an sich, sondern auch das Arbeiten mit einer solchen Vorrichtung.
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Diese Nachteile und Schwierigkeiten sollen gemäß der Erfindung vermieden
werden, und zwar auch dadurch, daß die Spulen oder--Leiterschleifen ihre Querschnittsform
längs ihrer Erstreckung ändern. Abweichend vom Bekanntdn weisen aber die stetig
oder sprunghaft ineinander übergehenden Quer-. schnittsformen gleichen Flächeninhalt
auf; so daß dem -Werrkstück jeweils größere oder kleinere Flächen der Heizleiter
unmittelbar benachbart sind. Die Zuordnung dieser unterschiedlich großen wirksamen
Heizleiteroberflächen zur Werkstückober--fläche wird der gewünschten Temperaturverteilung
angepaßt- Mit dieser Maßnahme läßt sich die Heizwirkung im Werkstück steuern, -ohne
daß eine Veränderung'des Abstandes zwischen wirksamer Heizleiteroberfläche und Werkstückoberfläche,
d, h.. altso des Kopplungsgrades; erforderlich ist. Desgleichen entfällt -die Notwendigkeit
des herstellungstechnisch unbequemen Veränderns der Leiterquerschnittsfläehen. Soll
beispielsweise an einer Stelle des Werkstückes eine starke Erwärmung eintreten,
so wird diesem Werkstückteil eine größere Wirkoberfläche des Heizleiters unmittelbar
zugeordnet als denjenigen Stellen, die ein geringeres Aufheizen erfahren sollen.
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Die Wirkungsweise von Spulen oder Leiterschleifen gemäß der Erfindung
werden im nachfolgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Nach Abb. i soll ein im Ausschnittdargestelltes Werkstück durch einen
Heizleiter 2 an' seiner Oberfläche io erwärmt werden, beispielsweise um diese Oberfläche
zu härten. Die Oberfläche soll aber nicht an allen Stellen gleichmäßig hohe Härte
zeigen, sondern an einigen Stellen härter werden bzw. tiefer einharten als an anderen
Stellen, und dies hat zur Bedingung, daß,das Aufheizen an der Oberfläche entsprechend
eingestellt wird. Hierzu wird gemäß der Erfindung der in Abb. i dargestellte Heizleiter
verwendet, dessen Querschnittsformen 5, 6 und 7 in Abb. 2 im Schnittdargestellt
sind. Die Querschnittsformen haben sämtlich den gleichen Flächeninhalt 8, wobei
zweckmäßgerweise auch noch dafür Sorge getragen werden kann, daß der innere Hohlraum,
der der Kühlmittelzufuhr dient, ebenfalls einen stets gleichbleibenden Flächeninhalt
des Querschnittes aufweist, um eine Wirbelung des Kühlmittels in diesen Räumen zu
vermeiden.
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Wenn nun das Werkstück senkrecht zur Zechenebene unter dem Heizleiter
2 hindurchbewegt wird, so weist es beim Verlassen des Heizleiters die stärkste Erwärmung
an der Stelle auf, die unter Einfluß des Teiles 7 gestanden hat, während die Stellen,
die unter Einfluß des Teiles 5 standen, in geringerem Maße aufgeheizt wurden und
die Teile gegenüber 6 die geringste Aufheizung zeigen.
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Dies hängt damit zusammen, daß,die Ströme sich verhältnismäßig gleichmäßig
über den gesamten Querschnitt des Leiters verteilen, und wenn nun beispielsweise
eine Leiterform gewählt wird, wie sie bei 6 der Abb. 2 angedeutet ist; so fließt
ein sehr viel geringerer Anteil :der Ströme in unmittelbarer Nachbarschaft der Werkstückoberfläche
als beispielsweise bei einer Querschnittsform, wie sie in Abb.2 bei 7 dargestellt
ist. Die in ,der Nähe der dem Werkstück abgekehrten Oberfläche des Heizleiters fließenden
Stromteile .haben ,gegenüber dem Werkstück eine schlechtere Kopplung als die anderen
Stromteile, so daß auf diese Weise eine Beeinflussung der Wirksamkeit .der gesariiten
im Heizleiterquerschnitt fließenden Strommenge möglich ist, ohne den tatsächlichen
Kopplungsgrad des Heizleiters gegenüber dem Werkstück zu verändern.
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In Abb. i wurde der Erfindungsgegenstand in Verbindung mit einem ebenen
Werkstück dargestellt. Es ist selbstverständlich, .daß die Maßnahmen der Erfindung
ebenso wirksam angewendet-werden können in Verbindung mit Werkstücken, die andere
Formen aufweisen, beispielsweise Formteile, Zapfen einer Welle, Hohlzylinder, Zahnräder
u. dgl.
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In Abb. 3 ist der Erfindungsgedanke angewendet auf die Behandlung
eines Werkstückteiles, dem unsymmetrische Begrenzungsflächen anliegen, und zwar
handelt
es sich um einen Kurbelwellenzapfen. Die Kurbelwangen 2 des Kurbelzapfens i geben
zu gewissen Störungen dadurch Veranlassung, daß an den Stellen, an denen die Kurbelwangen
aufragen, eine starke Wärmeabfuhr eintritt und eine größere Streuung der magnetischen
Kraftlinien zu beobachten ist. Um der größeren Streuung und der stärkeren Wärmeabfuhr
zu begegnen, wird die Querschnittsform der parallel oder in Reihe geschalteten Einzelleiter
bei 3 so gewählt, daß eine möglichst breite Fläche der Werkstückoberfläche unmittelbar
benachbart ist. An der entgegengesetzten. Seite ödes Zapfens, an welchem die Kurbelwangen
nicht aufragen, sind Störungen durch Streuflüsse und Wärmeabfuhr nicht zu befürchten,
und an dieser Stelle wird die Querschnittsform der Einzelleiter so gewählt, daß
die Wirkfläche geringere Breite aufweist Tals bei 3. Der dem in .der Spule fließenden
Strom zur Verfügung gestellte Querschnitt ist jedoch auf der ganzen Länge der Windungen
stets gleich groß.
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Besondere Schwierigkeiten bereitete bisher stets das gleichmäßige
Aufheizen von geraden oder schiefen Kegeln, Kegelstümpfen, Halbkugeln, Kalotten
u. dgl. Werkstücke dieser Art müssen, um sie überhaupt auf der gesamten Oberfläche
gleichmäßig erwärmen zu können, während des Aufheizens fortlaufend gedreht werden.
Legt man nun um ein solches Werkstück eine Spule herum, so haben ,die in dem Werkstück
sich schließenden. Stromwege, je nachdem ob beispielsweise die Spitze eines Kegels
oder die Basis betrachtet wird, verschieden lange Stromwege zurückzulegen. Bei gleichförmiger
Ausbildung des Heizleiters würde daher die Heizwirkung verschieden tief in das Werkstück
eindringen, und zwar dort am tiefsten, wo die Werkstückteile bei der Drehung die
kürzesten Wege zurücklegen.
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Bildet man dagegen den Heizleiter entsprechend der Erfindung aus,
so sind diese Schwierigkeiten zu beheben.
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In. Abb. 4 ist ein Heizgerät 2 dargestellt, das das kegelförmige Werkstück
i umfaßt und das von den Stromzuführungen 3 gespeist wird. Wie aus Abb. 5 ersichtlich,
kehrt der Heizleiter 2 in der Ebene A-B in der Nähe der Spitze des Kegels dem Werkstück
eine sehr schmale Oberfläche zu, während diese Fläche in der Nähe der Basis bei
E-F sehr breit ist. Zweckmäßig verwendet man zur Herstellung eines solchen Heizleiters
ein Rohr, das entsprechend flach gedrückt wird, wobei die Rohrform für den mittleren
Teil des Kegels bei C-D erhalten bleibt.
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Bei Werkstücken, die mehr die Form von Halbkugeln, Kalotten od. dgl.
aufweisen, ist es zweckmäßig, nicht mit einem Heizleiter zu arbeiten, der das Werkstück
umfaßt, sondern der in der Form einer Leiterschleife .das Werkstück überdeckt. Die
Ausbildung der Querschnittsformen bei gleichbleibendem Flächeninhalt der Querschnitte
erfolgt nach den in Verbindung mit Abb. 4 und 5 geschilderten Gesichtspunkten. Das
Werkstück muß, um eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Oberfläche zu gewährleisten,
in Umlauf gesetzt werden.
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Der Vorteil von Heizvorrichtungen, bei denen der Inhalt der Quer schnittsfläche
bei geänderter Querschnittsform stets gleichbleibt, liegt, wie bereits festgestellt,
darin, daß eine Änderung des tatsächlichen Kopplungsgrades gegenüber dem Werkstück
längs der Erstreckung des Heizleiters nicht erforderlich ist. Es kamt, aber auch
zusätzlich eine solche Änderung des Kopplungsgrades vorgenommen werden. Im allgemeinen
wird man bei wachsender Breite des Heizleiters die Kopplung enger wählen.
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Der Übergang von einer Querschnittsform zur anderen kann entweder
stetig erfolgen, indem man beispielsweise, wie bereits erwähnt, vors einem rohrförmigen
Querschnitt ausgehend diesen zunehmend in der einen oder anderen Richtung abflacht.
Es kann aber auch der Übergang sprunghaft erfolgen, wobei gewisse Übergänge zwischen
.den einzelnen Querschnittsformen zweckmäßigerweise vorzusehen sind.