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Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken
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aus Metallblechen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven
Erwärmen von Werkstücken aus Metallblechen von im wesentlichen konstanter Stärke
und über die Werkstücklänge variierender Breite, mit einer einen Erwärmungskanal
zur Aufnahme eines Werkstückes umschließenden Leiterspule aus mindestens einer Windung.
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LS ist bekännt ,Werkstücke im Innern einer Induktionsspule zu glühen,
um sie anschließend z.B. einem Schmiedeprozeß zu unterwerfen. Die Vorteile der induktiven
Erwärmung gegenüber der Erwärmung in einem mit Gas, Öl oder Kohle beheizten Ofen
bestehen darin, daß die Aufheizung in sehr kurzer Zeit erfolgt, daß der Wirkungsgrad,
d.h. die Ausnutzung der verfügbaren Wärme, erheblich größer ist, daß praktisch keine
Anheizzeit erforderlich ist und die Heizvorrichtung
jederzeit einsetzbar
und verfügbar ist und daß die Zunderbildung an der Werkstückoberfläche erheblich
verringert wird.
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Bei in(luktiver Erwärmung ist darauf zu achten, daß der Luftspalt
zwischen der Spule und dem Werkstück möglichst Cjerinq ist um die magnetischen Verluste
und die Feldstreuungen so gering wie möglich zu halten. Aus diesem Grunde wird die
Spule dem Werkstückquerschnitt angepaßt, so daß der Luftspalt bei in die Spule eingeschobenem
Werkstück möglichst klein ist. Dies setzt voraus, daß das Werkstück über seine Länge
eine im wesentlichen konstante Querschnittsfläche hat. Variiert die Querschnittsfläche
über die Werkstücklänge, so können in verschiedenen Bereichen der Werkstücklänge
Spulen mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet werden, so daß an jeder Stelle
der Spulendurchmesser auf den Werkstückquerschnitt abgestimmt ist. Diese Abstimmung
erfordert aber aufwendige Konstruktionen und die Durchführung zahlreicher Versuche
für jeden Werkstücktyp.
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Da ferner die Eindringtiefe der im Werkstück entstehenden Wirbelströme
von der Frequenz des Stromes in dem betre flfeiiden Abschnitt abhängt, können auch
abschnittsweise unt-ersclliedliche Frequenzen benutzt werden. Der hiedurch in der
Stromversorgungseinrichtung entstehende Aufwand ist außerordentlich groß.
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Ferner ist es bekannt, eine Vorrichtung zur induktiven Erwcirmunq
von Werkstücken als Tisch auszubilden und die Spule mit senkrechter Spulenachse
unterhalb der Tischfläche anzuordnen. Die Spule erzeugt ein Magnetfeld mit vertikaler
Achse, das durch die Tischfläche und das
Werkstück hindurchgeht
nnd sich allßen um die Spule herum schließt. Hierbei ist die Ausnutzung der Stromenergie
infolge der starken Streuung des Magnetfeldes sehr schlecht.
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Für viele Anwendungszwecke benötigt man Werkstücke, die zwar eine
im wesentlichen konstante Stärke haben, deren Querschnittsfläche aber über die Werkstücklänge
stark variiert. Derartige Werkstücke werden durch Ausstanzen oder durch Scheren
aus einem Metallblech hergestellt. Bei diesem Herstellungsprozeß erfolgt eine zusätzliche
Verformung. Es sind bereits Versuche unternommen worden, derartige Werkstücke induktiv
zu erwärmen, indem sie durch einen von einer Spule umgebenen Erwärmungskanal hindurchgeführt
wurden, dessen Breite der größten Breitenabmessung des Werkstücks entspricht.
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Hierbei hat sich gezeigt, daß einerseits der Wirkungsgrad der Energieausnutzung
außerordentlich schlecht ist, weil der Koppelabstand zwischen Werkstück und Spule
sehr stark variiert, und daß andererseits bei genügend großer Energiezufuhr diejenigen
Bereiche des Werkstücks, die den kleinsten Querschnitt haben, überhitzt werden und
verbrennen bevor die Bereiche mit größerem Querschnitt zu glühen beginnen. Außerdem
werden die Werkstücke, wenn sie während des Passierens des Erwärmungskanals in gegenseitiger
Berührung miteinander stehen, zusammengeschweißt.
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ziels alles hat davu geführt, daß de Versuche derartige Werkstücke
induktiv zu glühen,aufgec3eben wurden .
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»er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der
es möglich ist, flache Werkstücke,
deren Querschnittsfläche über die Werkstücklänge variiert, induktiv mit gutem Wirkungsgrad
zu glühen und überhitzungen der Bereiche kleineren Querschnitts zu vermeiden.
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Zur Tösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der
Erwärmungskanal als schmaler Spalt ausgebildet ist, dessen Breite nur wenig größer
ist als die Stärke der Werkstücke.
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Die Werkstücke werden hierbei flach in den Spalt eingeführt, d.h.
bei liegend angeordneter Spule horizontal und bei vertikal angeordneter Spule hochkant
stehend.
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Da die Breite des Erwärmungskanal der Stärke der Werkstücke entspricht,
ist der Koppelabstand zwischen Wol-lcsttick und Spule über die gesamte Länge des
Werkstücks konstant. Praktische Versuche haben anzeigt, daß nicht nur eine Überhitzung
der Bereite kleinen Querschnitts am Werkstück vermieden wird, sondern daß die Bereiche
großen Quer schnitts noch vor den Bereichen kleinen Querschnitts zu glühen beginnen.
Dies wird auf die besseren Ausbreitungsmöglichkeiten der Wirbelströme in den Bereichen
größeren Querschnitts zurückgeführt. Die Längenabmessung des Erwärmungskanals -in
Querschnitt gesehen - sollte etwa der Länge des Werk stücks angepaßt sein, jedoch
wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung nicht: wesentlich beeinträchtigt, wenn die
JiÜiicjQ des £?rwärrnuncjskanals - im Querschnitt - grösser isl. als die Werkstücklänge,
weil - wenigstens bei Werkstücktemperaturen unterhalb des Curie-Punktes -eine Magnetfeldkonzentration
im Bereich des Werkstückes
erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt auch eine Automatisierung
der Erwärmung von Werkstücken bei Massenfertigung. Hierzu verläuft zweckmäßigerweise
der LrwArmungskanaL iii weseit:lichen si!nkrecht (oder aucl1 schräg). An seinem
oberen Ende weist er einen Einführschlitz und an seinem unteren Ende einen Auslaßschlitz
auf und in der Nähe des Auslaßschlitzes ist eine das Werkstück während der Erwärmung
tragende bewegbare Haltevorrichtung angeordnet. Die Werkstücke fallen dabei, wenn
sie hochkant und liegend in den Erwärmungskanal eingeführt worden sind, auf die
Haltevorrichtung, von der sie während der Stromeinwirkung getragen werden.
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Anschließend kann die Haltevorrichtung zurückgezogen werden, so daß
das in dem Erwärmungskanal befindliche einzelne Werkstück dann aus dem Erwärmungskanal
nach unten herausfällt. Für das Einführen in den Erwärmungskanal und das Ilerausnehmen
des Wcrkstücks aus dem Erwärmungskanal werden keine Antriebseinrichtungen benötigt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung endet oberhalb des Einführschlitzes
eine automatische Zuführeinrichtung, die zahlreiche Werkstücke nebeneinanderstehend
trägt und das jeweils vorderste Werkstück taktweise in den Einführschlitz fallen
läßt. Der Takt ist dabei an die Erwärmungszeit, die ein Werkstück in dem Erwärmungskanal
benötigt, angepaßt.
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Zweckmäßigerweise weist die Zuführeinrichtung einen vor und zurück
bewegbaren Arm auf, der einen gegen das
vorderste Werkstück stoßenden
Greifer oder Magneten aufweist, der an einem Abstreifer vorbei zurückziehbar ist.
Der bewegbare Arm braucht dabei lediglich in dem durch die Erwärmungszeit vorgegebenen
Takt angetrieben zu werden. Das den Erwärmungskanal verlassende glühende Werkstück
fällt auf eine unter dem Auslaßschlitz verlaufende Förderstrecke, die es zu einer
Weiterbehandlungsstation, z.B. einer Presse, transportiert.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines zu erhitzenden
Werkstückes, Figur 2 einen Querschnitt durch die Induktionsvorrichtung entlang der
Linie II-II der Fig. 3, Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie II 1-111 von Fig.
2 und Figur 4 eine Vorrichtung zum automatischen Zuführen und Abführen von Werkstücken
zu und von der Induktionsvorrichtung.
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Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 10 besteht aus St:ahiblech von
im wesentlichen konstanter Stärke d und ilt titer die Werkstücklänge L stark variierendem
Querschnitt. Derartige Werkstücke werden beispielsweise als Rohlinge für die Herstellung
von Kneifzangen be-
nutzt. Sie werden in einem Ofen geglüht und
erhalten anschließend in einer Presse in noch warmen Zustand ihre endgültige Form.
Die Breite h variiert zwischen den Werten b1, b2 und b3 etwa um den Faktor 5.
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In den Figuren 2 und 3 ist eine Induktionsvorrichtung 11 dargestellt,
die allerdings nicht maßstäblich zu Fig. 1 gezeichnet ist. Die Induktionsvorrichtung
11 weist zwei durch eine Isolierschicht 12 getrennte Anschlußplatten 13, 14 aus
Kupfer auf, die an eine (nicht dargestellte) Stromquelle angeschlossen werden. Die
Anschlußplatten 13 und 14 sind in einer gemeinsamen Ebene anqeordnet. Von der Vorderseite
der Anschlußplatte 13 ragt ein im Querschnitt rechteckiger elektrischer Leiter 15
nach vorne.
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Der Leiter 15 bildet eine Spulenwindung mit annähernd rechteckigem
Querschnitt und mündet in der Nähe der Isolierplatte 12 in die Anschlußplatte 14.
Der Leiter 15 ist hohl ausgebildet. Sein Inneres bildet einen Kühikanal 16, dessen
beidc Enden mit Kühlkanäien 17 in den Anschlußplatten 13 und 14 Fluchten. Die Kühlkanäle
16 und 17 werden von Kühlwasser durchflossen.
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Die die Innenwände der Windung des Leiters 15 bildenden Flächen sind
mit einer Isolierschicht 18 aus Asbest bedeckt, um zu verhindern, daß das Werkstück
10 in Kontakt mit dem Leiter 15 kommt. Die Isolierschicht 18 ist möglichst dünnwandig.
Sie begrenzt den im Querschnitt rechteckigen Erwärmungskanal 19, dessen Breite etwas
größer ist als die Stärke d des Werkstückes 10 und dessen Länge (im Querschnitt
dc!r Fig. 2 gesehen) etwas größer ist als die Werkstück.lAtuge ij. Wie aus den Figuren
2 und 3 zu ersehen ist, ist der Kol)I)clab-
stand zwischen dem
Werkstück 10 und dem Leiter 15 an allen Stellen etwa gleich und relativ klein.
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Um das sich um den Leiter 15 herum entwickelnde Magnetfeld zu konzentrieren,
ist der Leiter 15 von U-förmigen Blechen 20 umgeben, die nach Art von Transformatorenblechen
zu einem Blechpaket gegeneinandergesetzt sind und deren Schenkel auf beiden Seiten
des Erwärmungskanals 1 9 geyeneinandergerichtet sind. Die Oberkanten der Bleche
20 sind ebenfalls mit einer Isolierschicht 18 bedeckt.
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I,i Allschlußplatten 13 und 14 weisen Kontaktlöcher 21 zur Befestigung
der Stromleitungen auf. Zur Erwärmung eines Werkstückes 10, das von oben her in
den Erwärmungskanal 19 eingegeben wurde, wird ein Strom in der Größenordnung von
800 bis 900 A und mit einer Frequenz von 10 kIIz durch den Leiter 15 hindurchgeschickt.
Auf diese Weise kann ein Werkstück mit einer Gesamtlänge L von ca. 14 cm, einer
Stärke d von 6 mm und einer maximalen Breite d3 von ca. 35 mm auf eine Temperatur
von etwa 1200° C erwärmt werden.
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Figur 4 zeigt eine Vorrichtung zur automatischen Erwärmung von Werkstücken
10, die hochkant liegend Seite an Seite auf einem Tisch 25 angeordnet sind. Der
Vorschub der Reihe von Werkstücken 10 erfolgt durch einen Schieber 26, der an dem
hintersten Werkstück 10 angreift und die ganze Reihe in Richtung des Pfeiles 27
taktweise oder kontinuierlich vorschiebt. Der Schieber 26 wird über einen Spindeltrieb
28 und ein Zahlradgetrieb 29 von einem Elektromotor 30 bewegt.
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Unterhalb des vorderen Endes des Tisches 25 ist die Induktionsvorrichtung
11 angeordnet, die anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wurde. Die Induktionsvorrichtung
11 ist an der Vorderseite eines Steuer- und Vorsorgungsschranks 31 angebracht. In
Verlängerung der Reihe der Werkstücke 10 ist vor dem vordersten Werkstück eine Zuführeinrichtung
32 für die Einzelzuführung von Werkstücken 10 zu der Induktionsvorrichtung 11 angeordnet.
Die Zuführeinrichtung 32 weist einen vor- und zurückbewegbaren Arm 33 auf, der von
einer Kolben/Zylinder-Einheit 34 taktweise angetrieben wird. Der Arm 33 trägt an
seinem vorderen Ende ein Magneten 35, der bei jedem Hub der Kolben/Zylinder-Einheit
34 gegen das vorderste Werkstück 10 stößt und beim Rückhub dieses Werkstück mitnimmt
und von der Reihe der Werkstücke löst.
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Der Arm- 33 ragt durch eine Öffnung eines Abstreifers 36 hindurch,
bei dem es sich um eine Platte handelt, die senkrecht an dem Erwärmungskanal 19
heranführt. Das vorderste Werkstück 10 fällt also an dem Abstreifer 36 herab in
den Erwärmungskanal 19 hinein. In dem unteren Auslaßschlitz des Erwärmungskanals
19 befindet sich der Halter 37 einer Haltevorrichtung .38. Das Werkstück 10 fällt
auf diesen Halter 37, so daß es in dem Erwärmungskanal 19 für die Dauer einer Taktzeit
festgehalten wird.
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Wenn das Werkstück glüht, zieht die Haltevorrichtung 38 den Halter
37 zuerst ein Stück nach unten aus dem Erwärmungskanal 19 heraus und anschließend
zur Seite, so daß das glühende Werkstück 10 aus dem Auslaßschlitz heraus auf eine
Förderstrecke 39 fällt, deren Aufgabeende sich unterhalb der Induktionsvorrichtung
11 befindet.
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Die Förderstrecke 39 führt zu einer Presse 40, in der die Verformung
d(l- Wcrk:;trüc:lc erl~().lc3t:.
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L e e r s e i t e