Verfahren und Einrichtung zum induktiven Erhitzen von Werkstücken. Bekanntlich kann man die für die Härtung von einzelnen Teilen bzw. Oberflächen von Werkstücken erforderliche Erhitzung dieser Teile dadurch herstellen, dass man eine In duktionsheizung an der zu erhitzenden Fläche entlangführt. Je nach der Tiefe, bis zu der die Hitze in das Werkstück eindringen soll, wird die induktive Heizvorrichtung mit einer höheren oder einer geringeren Frequenz gespeist.
Die Erfindung betrifft ein besonders zweckmässiges Verfahren zum induktiven Er hitzen von Werkstücken, bei welchem Verfah ren eine Induktionsspule mit wenigstens einer Induktionsheizschleife und die zu erhitzende Fläche des Werkstüekes relativ zueinander aneinander entlanggeführt werden. Erfin dungsgemäss wird zwischen der aus sich in zwei parallelen Ebenen erstreckenden Lei tern und zu diesen senkrecht verlaufenden Verbindungen bestehenden Heizschleife und dem Werkstück eine Relativbewegung senk recht ztt diesen Ebenen erzeugt.
Die erfin dungsgemässe Einrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens ist dabei so ausgebildet, dass zur Überleitung des magnetischen Flus ses auf das Werkstück neben dem Heizleiter der Schleife Eisenbleche vorhanden sind. Die das magnetische Feld erzeugenden Leiter der Induktionsheizung können dabei parallel zu der Umrisslinie der zu beheizenden @V erkstück- fläche verlaufen, wobei insbesondere diese Lei- ter und die zu diesen senkrecht verlaufenden Verbindungen eine nahezu geschlossene Schleife bilden können und sich die von die ser Schleife umgrenzte Fläche bzw.
deren Ver lauf zweckmässig dem Querschnittsverlauf der z. B. gekrümmten oder gebrochenen Fläche des Werkstückes anschmiegt.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei spiele erfindungsgemässer Einrichtungen näher erläutert. In Fig. 1 soll ein lang gestrecktes Stahlstück mit rechteckigem. Quer schnitt an der obern und an der rechten Seite der Oberfläche gehärtet werden, und zwar gemäss dem schraffierten Querschnitt 1 der zu härtenden Schicht. Zu diesem Zweck wird die Induktionsheizeinrichtung 2 an dieser zu härtenden Oberfläche des Werkstückes ent langgeführt, was entweder durch Bewegen der Induktionsheizung oder durch Bewegen des Stahlstabes erreicht werden kann.
Die Induktionsheizung besteht nun wie ersichtlich aus zwei quer zur Richtung der Bewegung nebeneinander angeordneten Hin- und Rück leitern 3 und 4, die sich mit ihrer Längs erstreckung der unter einem rechten Winkel gebrochenen, zu härtenden Fläche anschmie gen. Die beiden Leiter 3 und 4 stellen dabei eine flache Spule dar, deren Querschnitts fläche parallel zur zu härtenden Oberfläche verläuft, so dass der diese Querschnittsfläche durchsetzende magnetische Fluss annähernd senkrecht in die zu härtende Oberfläche ein dringt.
Um eine genügend starke Ausbildung dieses Flusses zu begünstigen, wird man namentlich bei der Verwendung von Mittel- oder Niederfrequenz den magnetischen Fluss auch ausserhalb des Werkstückes in Eisen ver laufen lassen, indem man die Leiter 3 und 4 mit Eisenblechen umgibt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 stellt dabei einen Quer schnitt durch die Leiter 3 und 4 und durch die angrenzende Seite des Werkstückes gemäss der Linie A-B der Fig. 1 dar.
3 und 4 sind wiederum die nunmehr im Querschnitt dargestellten Leiter der Induktionsheizung. 5 ist das diese beiden Leiter mit Ausnahme der dem Werkstück zugewandten Seite allseitig umgebende Eisenblech. 1 ist die zu härtende Oberfläche. Die Leiter sind Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt. Da der Strom in den Leitern 3 und 4. in entgegengesetzter Rich tung fliesst, so wird der magnetische Fluss an den beiden Aussenschenkeln des Bleches 5 ebenfalls die entgegengesetzte Richtung auf weisen als an dem Innenschenkel, an dem er ausserdem die doppelte Grösse aufweist. In Fig. 2 hat das umgebende Blech 5 die Form des Eisens eines Manteltransformators.
Unter Umständen genügt jedoch die Blechform eines gewöhnlichen Einphasentransformators, so dass also in Fig. 2 der an den Mittelschenkel des Bleches 5 nach rechts sich anschliessende Jochteil und der rechte Aussenschenkel weg fallen können. Bei der Verwendung von Hoch frequenz kann man das die beiden Leiter um gebende Eisen noch weiter vereinfachen, in dem man gemäss der Fig. 3 nur rechteckige Eisenbleche 6 zwischen den beiden Leitern 3 und 4 vorsieht, während an den nach oben und nach aussen gekehrten Seiten dieser Leiter kein Eisenblech vorhanden ist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung der Induktionsheizeinrichtung, wenn die Ober seite und zwei einander gegenüberliegende Seiten eines Werkstückes mit rechteckigem Querschnitt. aufgeheizt werden sollen. Die Hin- und Rückleiter 3 und 4 der Induktions heizung bilden hier zwei in der Bewegungs- richtung der Induktionsheizung nebenein ander angeordnete und in Querebenen zu die ser Bewegungsrichtung liegende U-Formen, die an den Enden der U-Schenkel (bei 7 und 8) ineinander übergehen, wobei die Verbin dungsflächen zwischen den Linienzügen der beiden U die von der Spule umfasste, vom magnetischen Fluss durchsetzte Querschnitts fläche bilden.
Diese Querschnittsfläche ver läuft dabei parallel zu der am Werkstück zu härtenden Schicht 1. Sie bildet also eben falls die Form eines<B>U.</B>
Bei 9 ist die Stromzu- und -ableitung an die Induktionsheizung angeschlossen, wobei das von den Leitern 4 gebildete<B>U</B> am Grund des @U geöffnet und an die Zu- und Ableitung angeschlossen ist. Die Zu- und Ableitung könnte jedoch auch an einer andern Stelle der Heizspule angeschlossen sein, beispielsweise zeigen die gestrichelten Zu- und Ableitungen 10 einen Anschluss an die Mitte am Grunde des einen Der Querschnitt des zu beheizenden Werk stückes der Fig. 4 ist nur als Beispiel gewählt.
Das Werkstück kann alle Querschnitte auf weisen, bei denen sich die annähernd<B>U-</B> oder V-förmig gestaltete Induktionsheizeinrichtung dem Quersehnittsv erlauf des Werkstückes ge nügend gut anschmiegt. Beispielsweise kann man die Einrichtung der Fig. 4 für das Här ten der Oberfläche von Zahnrädern benutzen, wobei durch die Induktionsheizung gleich zeitig beide Flanken eines Zahnes sowie ausser dem der Zahnkopf erhitzt werden. Wenn man nur die beiden Zahnflanken härten will, so kann man dies dadurch erreichen, dass man die dem Zahnkopf gegenüberliegenden Teile der Leiter 3 und 4 nicht mit Eisenble chen iungibt, so dass hier der magnetische Fluss nur gering ist.
Fig. 5 zeigt eine Anwendung der wie derum :U-förmig gestalteten Spule der Induk tionsheizung, bei der man die benachbarten Zahnflanken zweier Zähne gleichzeitig här ten kann sowie evtl. den Zahngrund. Die U- Form. der Induktionsspule ist hier um 180 gedreht und füllt eine Lücke zwischen zwei Zähnen aus. Die Zu- und Ableitung kann dadurch hergestellt sein, dass die eine Über gangsstelle an den Enden der IU-Schenkel 3 und 4 geöffnet und an die Zu- und Ab leitungen 11 angeschlossen ist. Man könnte aber ähnlich wie in Fig. 4 die Zu- und Ablei tungen auch (gestrichelt angedeutet) an den Grund des<B>U</B> (bei 12) anschliessen.
Wünscht man nur die Zahnflanken des Zahnrades zu härten, so kann man die An ordnung nach Fig. 6 wählen, bei der die In duktionsheizung ähnlich wie in Fig. 4 aus gebildet ist, jedoch mit der annähernden U- Form nicht einen Zahn umfasst, sondern eine Zahnlücke. In diesem Fall wird man die die beiden U-Schenkel verbindenden Teile der Leiter 3 und 4 nicht mit Eisenblech umgeben, da ihnen keine zu erhitzende Werkstückober- fläche gegenübersteht.
Wählt man den An schluss der Zu- und Ableitungen 9 gemäss der Fig. 6a, wobei also das durch die Leiter 4 gebildete<B>U</B> am Grunde des<B>U</B> geöffnet und an die Zu- und Ableitungen angeschlossen ist, so kann man in Schwierigkeiten geraten bzgl. der Unterbringung der die Leiter 3 und 4 umgebenden Eisenbleche, da der Raum der Zahnlücke dafür unter Umständen nicht breit. genug ist. Diese Schwierigkeit lässt sieh wesentlich vermindern, wenn man die Anschlüsse gemäss der Fig. 6b wählt, wobei von den Zu- und Ableitungen 9 der eine Leiter an dem nach vorn gelegenen Heizleiter 4 des <B>U</B> angeschlossen ist, während der andere Leiter an dem. rückwärts gelegenen Heizleiter 3 ange schlossen ist.
In diesem Fall sind die den Zahnflanken gegenüberliegenden Leiter 3 und 4 an der einen Zahnflanke gegenüber der andern in der Bewegungsrichtung der Induk tionsheizung versetzt, so dass die die Heiz- leiter umgebenden Eisenbleche sich gegenseitig nicht mehr derart stark behindern wie bei der Anordnung nach Fig. 6a.
Wie bereits geschildert, ist es meist er forderlich, die Leiter der Induktionsheizung als Hohlleiter auszubilden und eine Kühl flüssigkeit durch den Hohlleiter hindurchzu- schicken. Man hat nun bereits vorgeschlagen, derartige Hohlleiter mit Öffnungen zu ver sehen, so dass die aus diesen Öffnungen aus- tretende Kühlflüssigkeit gleichzeitig zum Ab schrecken der bereits erhitzten Oberfläche des Werkstückes benutzt werden kann. Bei den gezeigten Anordnungen kann man nun die jenigen Teile der Hohlleiter, die bei der Be wegung der Induktionsheizung sich rückwärts befinden, mit Öffnungen für das Austreten der Kühlflüssigkeit versehen.
Wenn also in den Fig. 4, 5 und 6 die Induktionsheizein- richtung sich von rückwärts nach vorwärts bewegt, so wird man die rückwärtigen Leiter 3 mit derartigen Öffnungen ausrüsten. In einem derartigen Fall kann man die Zu- und Ableitungen der Induktionsheizung und damit auch die Zu- und Ableitungen der Kühlflüs sigkeit gemäss der gestrichelten Darstellung der Fig. 5 oder gemäss der Darstellung der Fig.6c <B>(Zu-</B> und Ableiter 13) anordnen.
Man kann auch die Kühlflüssigkeit gleich zeitig durch die elektrische Zuleitung und durch die elektrische Ableitung der Induk tionsheizung zuführen, wobei in der Mitte der Induktionsheizleiter (an dem Leiter 3) eine Trennwand in den Hohlraum des Leiters einge baut ist. Die gleichzeitige Benutzung der Kühlflüssigkeit für das Abschrecken hat auch eine bessere Kühlung der Induktionsleiter zur Folge, da man durch die Leiter bei sonst glei- ehen Verhältnissen die doppelte Wassermenge führen kann.
In den Ausführungsbeispielen besteht die Spule der Induktionsheizung nur aus einer einzigen Windung. Man kann aber auch Spu len mit mehreren Windungen anwenden. In den Ausführungsbeispielen bestehen dann die Leiter 3 und 4 aus mehreren unmittelbar nebeneinander angeordneten Leitern, die zu mehreren Windungen geschlossen sind. Für den Anschluss der Zu- und Ableitung ist dann nur eine Windung an den bereits geschilderten Stellen geöffnet. Bei den Ausführungsbei spielen bilden die Hin- und Rückleiter mit dem ihren Zwischenraum durchsetzenden Fluss einen Pol.
Man kann natürlich auch zwei oder mehrere solcher Pole vorsehen, indem man etwa mehrere Spulen der Fig. 1 bis 6 in der Bewegungsrichtung der Induktionsheizung nebeneinander angeordnet und sie hinter- einanderschaltet. Die die Spule umgebenden Eisenbleche können dabei für alle Spulen ge neinsam vorgesehen sein.
Method and device for inductive heating of workpieces. As is known, the heating of these parts required for the hardening of individual parts or surfaces of workpieces can be produced by running an induction heating system along the surface to be heated. Depending on the depth to which the heat should penetrate the workpiece, the inductive heating device is fed with a higher or a lower frequency.
The invention relates to a particularly useful method for inductive heating of workpieces, in which procedural Ren an induction coil with at least one induction heating loop and the surface to be heated of the workpiece are guided along each other relative to each other. In accordance with the invention, a relative movement perpendicular to these planes is generated between the conductor extending in two parallel planes and the heating loop existing to these perpendicular connections and the workpiece.
The device according to the invention for performing the method is designed in such a way that iron sheets are present next to the heating conductor of the loop to transfer the magnetic flux to the workpiece. The conductors of the induction heating generating the magnetic field can run parallel to the contour line of the component surface to be heated, and in particular these conductors and the connections running perpendicular to them can form an almost closed loop and that of this loop delimited area or
whose course expediently the cross-section of the z. B. hugs curved or broken surface of the workpiece.
In the following, the method according to the invention is explained in more detail, for example, with the aid of some exemplary embodiments according to the invention shown in the drawing. In Fig. 1 is an elongated piece of steel with rectangular. Cross-section on the top and on the right side of the surface are hardened, specifically according to the hatched cross-section 1 of the layer to be hardened. For this purpose, the induction heating device 2 is long performed on this to be hardened surface of the workpiece, which can be achieved either by moving the induction heater or by moving the steel rod.
The induction heating now consists, as can be seen, of two transversely to the direction of movement side by side back and forth ladders 3 and 4, which with their longitudinal extension of the broken surface to be hardened cling to the conditions. The two conductors 3 and 4 set a flat coil, the cross-sectional area of which runs parallel to the surface to be hardened, so that the magnetic flux penetrating this cross-sectional area penetrates approximately perpendicularly into the surface to be hardened.
In order to promote a sufficiently strong formation of this flow, when using medium or low frequency, the magnetic flow will also run in iron outside the workpiece by surrounding the conductors 3 and 4 with iron sheets, as shown in Fig. 2 is shown. Fig. 2 shows a cross section through the conductors 3 and 4 and through the adjacent side of the workpiece according to the line A-B of FIG.
3 and 4 are again the conductors of the induction heating, now shown in cross section. 5 is the iron sheet surrounding these two conductors on all sides with the exception of the side facing the workpiece. 1 is the surface to be hardened. The conductors are waveguides with a rectangular cross-section. Since the current in the conductors 3 and 4 flows in the opposite direction, the magnetic flux on the two outer legs of the sheet 5 will also have the opposite direction than on the inner leg, on which it is also twice as large. In Fig. 2, the surrounding sheet metal 5 has the shape of the iron of a jacket transformer.
Under certain circumstances, however, the sheet metal shape of an ordinary single-phase transformer is sufficient, so that in FIG. 2 the yoke part adjoining the center leg of the sheet 5 to the right and the right outer leg can fall away. When using high frequency you can simplify the two conductors around giving iron even further by providing only rectangular iron sheets 6 between the two conductors 3 and 4 according to FIG. 3, while on the upward and outward facing sides there is no iron sheet on this ladder.
Fig. 4 shows a further embodiment of the induction heating device when the upper side and two opposite sides of a workpiece with a rectangular cross-section. should be heated up. The outward and return conductors 3 and 4 of the induction heating form two U-shapes arranged next to each other in the direction of movement of the induction heating and in transverse planes to this direction of movement, which are at the ends of the U-legs (at 7 and 8) merge into one another, the connec tion areas between the lines of the two U form the cross-sectional area encompassed by the coil and penetrated by the magnetic flux.
This cross-sectional area runs parallel to the layer 1 to be hardened on the workpiece. It also forms the shape of a <B> U. </B>
At 9, the current supply and discharge line is connected to the induction heating, the <B> U </B> formed by the conductors 4 being open at the base of the @U and being connected to the supply and discharge line. The supply and discharge lines could, however, also be connected to another point of the heating coil, for example the dashed supply and discharge lines 10 show a connection to the center at the base of one of the parts. The cross section of the workpiece to be heated in FIG. 4 is only an example elected.
The workpiece can have all cross-sections in which the approximately <B> U- </B> or V-shaped induction heating device conforms sufficiently well to the cross-section of the workpiece. For example, the device of FIG. 4 can be used for the hardening of the surface of gears, with both flanks of a tooth and the tooth tip being heated at the same time by the induction heating. If you only want to harden the two tooth flanks, this can be achieved by not giving the parts of the conductors 3 and 4 opposite the tooth tip with iron sheets, so that the magnetic flux is only slight here.
Fig. 5 shows an application of the turn: U-shaped coil of induction heating, in which you can simultaneously här the adjacent tooth flanks of two teeth and possibly the tooth base. The U shape. the induction coil is turned 180 and fills a gap between two teeth. The supply and discharge line can be produced in that the one transition point at the ends of the IU legs 3 and 4 is opened and connected to the supply and discharge lines 11. Similar to FIG. 4, however, the inlets and outlets could also be connected (indicated by dashed lines) to the base of the <B> U </B> (at 12).
If you only want to harden the tooth flanks of the gear, you can choose the arrangement according to FIG. 6, in which the induction heating is formed from similar to FIG. 4, but with the approximate U-shape does not include a tooth, but a tooth gap. In this case, the parts of the conductors 3 and 4 connecting the two U-legs will not be surrounded with sheet iron, since there is no workpiece surface to be heated opposite them.
If one selects the connection of the supply and discharge lines 9 according to FIG. 6a, with the <B> U </B> formed by the conductor 4 open at the bottom of the <B> U </B> and connected to the supply and leads is connected, you can get into difficulties with regard to the accommodation of the iron sheets surrounding the conductors 3 and 4, since the space of the tooth gap may not be wide. is enough. This difficulty can be reduced significantly if one chooses the connections according to FIG. 6b, one conductor of the inlet and outlet lines 9 being connected to the heating conductor 4 of the U located in the front, during the other leaders on that. rear heating conductor 3 is connected.
In this case, the conductors 3 and 4 opposite the tooth flanks are offset on one tooth flank with respect to the other in the direction of movement of the induction heating, so that the iron sheets surrounding the heating conductors no longer hinder one another as much as in the arrangement according to FIG. 6a.
As already described, it is usually necessary to form the conductor of the induction heating as a waveguide and to send a cooling liquid through the waveguide. It has now been proposed to provide such waveguides with openings so that the cooling liquid emerging from these openings can be used at the same time to scare off the already heated surface of the workpiece. In the arrangements shown, you can now those parts of the waveguide that are located backwards during the loading movement of the induction heating, provided with openings for the escape of the cooling liquid.
If the induction heating device in FIGS. 4, 5 and 6 moves from backward to forward, the rear conductors 3 will be equipped with openings of this type. In such a case, the inlet and outlet lines of the induction heating and thus also the inlet and outlet lines of the Kühlflüs fluid according to the dashed illustration in FIG. 5 or according to the illustration in FIG. 6c (inlet) and arrester 13).
You can also supply the cooling liquid at the same time through the electrical supply line and through the electrical discharge line of the induction heating, with a partition in the cavity of the conductor built into the middle of the induction heating conductor (on the conductor 3). The simultaneous use of the cooling liquid for quenching also results in better cooling of the induction conductors, since twice the amount of water can be fed through the conductors under otherwise identical conditions.
In the exemplary embodiments, the coil of the induction heating consists of only a single turn. But you can also use coils with several turns. In the exemplary embodiments, the conductors 3 and 4 then consist of a plurality of conductors which are arranged directly next to one another and which are closed to form a plurality of turns. For the connection of the supply and discharge line, only one turn is open at the points already described. In the exemplary embodiments, the outward and return conductors form a pole with the flow that penetrates their space.
One can of course also provide two or more such poles by arranging several coils of FIGS. 1 to 6 next to one another in the direction of movement of the induction heating and connecting them one behind the other. The iron sheets surrounding the coil can be provided ge neinsam for all coils.