DE69830006T2

DE69830006T2 - Induktionshärtevorrichtung für eine kurbelwelle

Info

Publication number: DE69830006T2
Application number: DE69830006T
Authority: DE
Inventors: M. John STORM; E. Max STEWART; L. Spencer GIBBS
Original assignee: Contour Hardening Inc
Current assignee: Contour Hardening Inc
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-10-29
Also published as: CN1280755A; US6013904A; HUP0100422A3; EP1072169A4; JP2002501981A; DE69830006D1; BR9814618A; CN1130954C; WO1999022038A2; WO1999022038A9; ATE294494T1; CA2313470C; CA2313470A1; WO1999022038A3; AU1367299A; BR9814618B1; EP1072169B1; HUP0100422A2; EP1072169A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Verfahren und Vorrichtungen zum induktiven Erwärmen und Abschreckhärten einer Kurbelwelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das induktive Erwärmen und Abschreckhärten einer Kurbelwelle, die entweder horizontal oder vertikal ausgerichtet ist, wobei die Induktionsspulenanordnung(en) die Oberflächen der Kurbelwelle nicht kontaktieren, die induktionsgehärtet werden sollen. Computergesteuerte Stellmotoren und X- und Y-Antriebssysteme werden zum Positionieren und Bewegen der Induktionsspulenanordnung mit Bezug auf einen Kurbelzapfenbereich der Kurbelwelle verwendet, wenn sich die Kurbelwelle mit einer vorbestimmten Drehzahl dreht. Die Bewegung der Induktionsspulenanordnung beruht auf mathematischen Formeln und der Kurbelwellengeometrie, einschließlich der Kurbelwellenabmessungen und der besonderen Position des Kurbelzapfenbereichs, der mit Bezug auf die Längsachse der Kurbelwelle induktionsgehärtet werden soll.
Eine Kraftfahrzeugkurbelwelle besteht aus einer Reihe von Kurbelzapfen, einen für jeden Zylinder in dem Fall von Reihenmotoren oder einen für jedes Paar von Zylindern im Fall von Motoren vom V-Typ. Die Funktion der Kurbelwelle ist es, die hin und hergehende Bewegung des Kolbens und seiner Pleuelstange in eine Drehbewegung umzuwandeln. Die Kröpfung der Kurbelwelle ist gleich dem Hub des Motors. Die Kurbelwelle muß ordnungsgemäß ausgeglichen werden, um Zentrifugalkräfte zu eliminieren und dementsprechend wird die Kurbelwelle durch Gewichte, die gegenüber den entsprechenden Kurbelzapfen oder nur "Zapfen" angebracht sind, ausgeglichen. Jeder Zapfen ist innerhalb eines Endes einer entsprechenden Pleuelstange aufgenommen, deren gegenüberliegendes Ende an einem Kolben befestigt ist. Kurbelwellen sind auch mit axialen Lagerflächen gestaltet, die zur Aufnahme durch die Hauptlager bestimmt sind. Eine 6- Zylinder-Reihen-Kurbelwelle hätte typischerweise sieben Hauptlager.
Aufgrund der Last auf den Zapfen und den Lagerflächen und deren Verschleiß ist das Härten dieser Bereiche der Kurbelwelle wichtig. Ein Ansatz für diese Aufgabe ist das induktive Erwärmen und dann Abschreckhärten dieser kritischen Oberflächen. Herkömmlicherweise besteht dieser Ansatz, der durchgeführt wurde, darin, die Kurbelwelle in einer horizontalen Ausrichtung anzuordnen und daß, wenn die Kurbelwelle eine im wesentlichen erhöhte Temperatur aufgrund des Induktionserwärmens erreicht, ein Abstützelement in die richtige Position bewegt wird, um die Kurbelwelle abzustützen und sie am Durchbiegen zu hindern. Dieser herkömmliche Ansatz umfaßt auch, daß die Induktionsspule und/oder ein Bereich der Induktionsspulenanordnung die Oberflächen, die induktiv erwärmt und abschreckgehärtet werden sollen sind, kontaktiert und sich tatsächlich auf ihnen bewegt. Dieser Kontakt von Metall auf Metall beschleunigt den Verschleiß der Spulenanordnung, wodurch erforderlich gemacht wird, daß die Spulenanordnung periodisch ersetzt wird. Der Bedarf, die Induktionsspulenanordnung zu ersetzen, stellt nicht nur einen zusätzlichen Kostenfaktor dar, sondern auch eine Ausfallszeit für die Induktionshärtungsvorrichtungen.
Durch das horizontale Ausrichten der Kurbelwelle wird der Kontakt durch die Induktionsspulenanordnung auf den kritischen Oberflächen der Kurbelwelle tatsächlich aufgrund der Bequemlichkeit ermutigt, die Induktionsspulenanordnung auf den Zapfen und Lagerflächen "reiten" zu lassen, wenn die Kurbelwelle zwischen Zentrierspitzen gedreht wird. Dieser herkömmliche Ansatz, die Induktionsspulenanordnung wie einen Mitläufer funktionieren zu lassen, erfordert kein separates Antriebssystem für die Induktionsspulenanordnung, da sich die kritischen Oberflächen in Kontakt mit der Spulenanordnung befinden. Der direkte Kontakt zwischen der Spulenanordnung und dem Teil der Kurbelwelle, der zu induktionsgehärtet werden soll, wird als beträchtlicher Nachteil angesehen, nicht nur aufgrund des Verschleißes der Induktionsspulenanordnung und des horizontalen Anbringens der Kurbelwelle, sondern aus weiteren Gründen, die nachstehend angegeben sind.
Wenn die Induktionsspulenanordnung die Zapfen und/oder Lagerflächen kontaktiert, ist es schwierig, den Verschleißzustand der Spulenanordnung zu identifizieren. Dadurch, daß sich die Kontaktoberfläche der Induktionsspulenanordnung direkt auf den Kurbelwellenoberflächen bewegt, ist sie wirksam vor den Blicken verborgen, was es schwierig macht, das Ausmaß oder den Grad des Verschleißes der Spulenanordnung zu bewerten. Dies bedeutet seinerseits, daß die Induktionsspulenanordnung zu lange laufen gelassen werden kann und einen Punkt erreichen kann, an dem sie einen Lichtbogen zieht, und dies ruiniert typischerweise das Teil und ruiniert oder beschädigt die Spulenanordnung. Der Kontakt zwischen der Spulenanordnung und der Kurbelwelle führt oft zu einem Verkratzen oder Scheuern der Kurbelwellenoberfläche und dies erfordert Extraschleifgut, das dann durch Bearbeiten entfernt werden kann, um die Oberflächendefekte wegzuschleifen. Ein ausgedehnter Nachhärtungsschritt ist dann erforderlich.
Es wäre eine beträchtliche Verbesserung der vorliegenden Verfahren und Vorrichtungen zum Induktionshärten von Kurbelwellen, falls eine Vorrichtung geschaffen werden könnte, mittels welcher die Induktionsspulenanordnung die Zapfen und Lagerflächen nicht kontaktieren muß. Eine solche Vorrichtung würde die Standzeit der Spulenanordnung beträchtlich verbessern. Auch die vertikale Ausrichtung der Kurbelwelle wäre vorteilhaft. Während der Stand der Technik keine geeignete Lösung der Probleme, die identifiziert wurden, ins Auge faßt, schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung, die beide Verbesserungen erzielt.
Erfindungsgemäß kann die Kurbelwelle, die induktionsgehärtet werden soll, vertikal ausgerichtet werden, obgleich die vorliegende Erfindung noch gut arbeitet, wenn die Kurbelwelle horizontal ausgerichtet ist. Des weiteren wird eine Induktionsspulenanordnung für die Kurbelwellenzapfen geschaffen, die sich an einer ersten Arbeitsstation befindet und dort betrieben wird. Entweder wird eine separate Induktionsspulenanordnung oder eine Reihe von Anordnungen für die Lagerflächen geschaffen, die sich an einer zweiten Arbeitsstation befindet und dort betrieben wird. Diese Spulenanordnungen sind derart gestaltet, daß es keinen Kontakt mit den Kurbelwellenoberflächen, die die Spulenanordnungen induktionshärten sollen, gibt. Dies verbessert die Standzeit der Spulenanordnung. Erfindungsgemäß werden die Abmessungen und die Geometrie der Kurbelwelle verwendet, um den Weg oder die Bahn jedes Zapfens zu bilden, und der Zwangsbewegungsbahn für jede Induktionsspulenanordnung wird berechnet und in geeignete Antriebsysteme programmiert, die die Bewegung jeder Spulenanordnung steuern. Während die Lagerflächen auch eine Bahn aufweisen, sind diese Bahnen mit der Drehachse der Kurbelwelle konzentrisch. Dementsprechend muß bzw. müssen sich die für diese Lagerflächen verwendete(n) Spulenanordnung(en) nicht in einer zusammenpassenden Bahn bewegen, sondern sie ist bzw. sind ortsfest. Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen Konstruktionsänderungen, um der Gegenwart von Gegengewichten oder der Gegenwart irgendeines anderen Faktors Rechnung zu tragen, der das Massengleichgewicht (Wärmebilanz) in der Nähe der Zapfen der Kurbelwellen beeinträchtigen könnte.
Während es andere Konstruktionen gibt, die eine vertikale Ausrichtung für das Werkstück vorschlagen, sind diese anderen Konstruktionen auf Nockenwellen und nicht Kurbelwellen beschränkt. Es gibt zahlreiche Unterschiede zwischen diesen beiden Typen von Antriebskomponenten, von denen mehrere vorschlagen, daß die sich auf Nockenwellen beziehende Technologie sehr wenig Relevanz für die vorliegende Erfindung und die Probleme, die durch die vorliegende Erfindung angesprochen und gelöst werden, hat.
Beispielsweise sind die einzelnen Nocken einer Nockenwelle axial angebracht und der vorstehende Bereich der Nockengeometrie ist abmessungstechnisch ziemlich gering. Es gibt einfach keine abmessungstechnische Verschiebung gegenüber der Achse bei Nocken wie dies bei den Zapfen einer Kurbelwelle der Fall ist. Dies führt zu einer Zapfenbahn von beträchtlicher Größe und Länge mit Bezug darauf, was bei einer Nockenbahn vorhanden sein könnte. Dies führt seinerseits zu beträchtlich unterschiedlichen Herausforderungen und Problemen für die Konstruktion einer geeigneten Induktionsspulenzwangsbewegungsvorrichtung, wobei die Kurbelwelle die schwierigere Konstruktionsaufgabe darstellt.
Mit Bezug auf den Vergleich zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle ist das Profil eines Kurbelzapfens symmetrisch und erfordert eine gleichmäßige Einsatzhärtungstiefe. Ein Nocken einer Nockenwelle ist nicht symmetrisch und erfordert keine gleichmäßige Einsatzhärtungstiefe. Dementsprechend muß die Induktionsspulenanordnung einer Nocke nicht folgen und die Nocke kann induktionsgehärtet werden, ohne die Spulenanordnung in einer passenden Bahn zu bewegen. Die gewünschten Einsatzhärtungstiefenmuster für die Nocken können ohne Verschiebung der Induktionsspulenanordnung erzielt werden. Die geringeren, auf eine Nocke wirkenden Lasten bedeuten, daß die erforderliche Härtungstiefe weniger als diejenige eines Kurbelwellenzapfens sein kann, was ein weniger schwieriges Induktionshärten bewirkt. Während die vorliegende Erfindung für eine Nockenwelle verwendet werden kann, gibt es keinen Grund, dies zu tun.
Ein weiteres von der vorliegenden Erfindung angesprochenes Merkmal ist die Anordnung der Handhabungsvorrichtung und der damit zusammenarbeitenden Arbeitsstationen. Um für eine Handhabungseffizienz zu sorgen, ist die vorliegende Erfindung mit mehreren Arbeitsstationen für das Beladen, Induktionshärten und Entladen des Werkstücks in einem aufeinanderfolgenden Vorgang gestaltet.
Eine Arbeitsstation ist zum Induktionshärten von Kurbelwellenzapfen gestaltet. Eine weitere Arbeitsstation ist zum Induktionshärten der Lagerflächen gestaltet. Diese beiden Arbeitsstationen können in irgendeiner Reihenfolge angeordnet werden, da die Zapfen und Lagerflächen in irgendeiner Reihenfolge induktionsgehärtet werden können. Da die Lagerflächen zu den Zentrierspitzen, die die Kurbelwelle abstützen, koaxial sind, arbeitet die Induktionsspulenanordnung für die Lagerflächen auf einer Bahn, die mit der Drehachse (Längsachse der Kurbelwelle) zusammenfällt. Im Gegensatz hierzu sind die Zapfen, die nacheinander induktionsgehärtet werden, typischerweise jeweils ein Zapfen, nicht auf der Achse angeordnet und weisen eine unterschiedliche umfangsseitige Position von einem Zapfen zum nächsten relativ zur Stellung der Kurbelwelle auf.
Während das Induktionshärten von Kurbelwellen bekannt ist und während die vertikale Ausrichtung von Nockenwellen bekannt ist, bleibt die vorliegende Erfindung neu und nicht naheliegend. Die Kombination der strukturellen Merkmale der vorliegenden Erfindung schafft beträchtliche Vorteile mit Bezug auf das, was gegenwärtig existiert, und der lang verspürte und bis jetzt nicht zufriedengestellte Bedarf an der vorliegenden Erfindung bestätigt ihren neuen und nicht naheliegenden Fortschritt mit Bezug auf den Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist eine Induktionshärtungsvorrichtung, wie in Anspruch 1 der beiliegenden Ansprüche definiert, geschaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren, wie in Anspruch 11 der beiliegenden Ansprüche definiert, geschaffen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Induktionshärtungsvorrichtung für ein Werkstück.
Verwandte Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer Induktionshärtungsvorrichtung für die Zapfen einer Kurbelwelle gemäß einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht auf die Induktionshärtungsvorrichtung von 1.
2A ist eine Draufsicht auf eine Induktionshärtungsvorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Vorderansicht der Induktionshärtungsvorrichtung von 1.
3A ist eine Vorderansicht der Induktionshärtungsvorrichtung von 2A.
4 ist eine Seitenansicht von rechts auf die Induktionshärtungsvorrichtung von 1.
5 ist eine vergrößerte Seitenansicht der Kurbelwelle, die mittels der Induktionshärtungsvorrichtung von 1 induktionsgehärtet werden soll, einschließlich Teilen des Spulenantriebssystems.
6 ist eine vergrößerte Draufsicht auf die Induktionsspule an einer ersten Arbeitsstation, die einen Bereich der Induktionshärtungsvorrichtung von 1 umfaßt.
6A ist eine Vorderansicht der Induktionsspulenanordnung von 6.
7 ist eine schematische Darstellung der Ausrichtung eines Kurbelwellenzapfens während einer Umdrehung der Kurbelwelle.
7A ist eine schematische Darstellung der Aussrichtung eines Kurbelwellengegengewichts während einer Umdrehung der Kurbelwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7B ist eine schematische Darstellung der Ausrichtung eines Kurbelwellengegengewichts und der Induktionsspulenanordnung während einer Umdrehung der Kurbelwelle.
8 ist eine Seitenansicht einer Induktionshärtungsvorrichtung für die Lagerflächen einer Kurbelwelle gemäß einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Draufsicht auf die Induktionshärtungsvorrichtung von 8.
10 ist eine Vorderansicht der Induktionshärtungsvorrichtung von 8.
11 ist eine Seitenansicht von rechts auf die Induktionshärtungsvorrichtung von 8.
12 ist eine vergrößerte Seitenansicht der Kurbelwelle, die mittels der Induktionshärtungsvorrichtung von 8 induktionsgehärtet werden soll.
13 ist eine vergrößerte Seitenansicht der Kurbelwelle, die mittels der Induktionshärtungsvorrichtung von 8 induktionsgehärtet werden soll.
14A ist eine schematische Darstellung einer Option zum Anordnen der Arbeitsstationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
14B ist eine schematische Darstellung einer weiteren Option zum Anordnen der Arbeitsstationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
14C ist eine schematische Darstellung einer weiteren Option zum Anordnen der Arbeitsstationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
14D ist eine schematische Darstellung einer weiteren Option zum Anordnen der Arbeitsstationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
14E ist eine schematische Darstellung einer weiteren Option zum Anordnen der Arbeitsstationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine schematische Draufsicht auf eine Induktionshärtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine schematische Vorderansicht der Induktionshärtungsvorrichtung von 15.
17 ist eine schematische Seitenansicht der Induktionshärtungsvorrichtung von 15.
18 ist eine Draufsicht auf eine 90°-Induktionshärtungsspule.
18A ist eine Seitenansicht der Induktionshärtungsspule von 18.
19 ist eine Vorderansicht der Induktionshärtungsspule von 18.
20 ist eine schematische Draufsicht auf eine um 180° versetzte Induktionshärtungsspule.
21 ist eine schematische Seitenansicht der Spule von 20.
22 ist eine schematische Vorderansicht der Spule von 20.
23 ist eine schematische Teildarstellung des sich ergebenden Erwärmungsmusters in einem Werkstück auf der Grundlage des Typs der verwendeten Spule.
24 ist eine schematische Teildarstellung des sich ergebenden Erwärmungsmusters in einem Werkstück auf der Grundlage des Typs der verwendeten Spule.
25 ist eine schematische Teildarstellung des sich ergebenden Erwärmungsmusters in einem Werkstück auf der Grundlage des Typs der verwendeten Spule.
26 ist eine schematische Teilvorderansicht von zwei benachbarten Zapfen einer Kraftfahrzeugkurbelwelle, die eine Konstruktion mit "Split-Zapfen" aufweisen.
27 ist eine schematische Darstellung des versetzten Bereichs zwischen zwei benachbarten Zapfen von 26.
28 ist eine Seitenansicht von zwei Induktionshärtungsanordnungen, einschließlich Transformatoren, zur Verwendung der zwei Spulen von 20.
29 ist eine Seitenansicht von zwei Induktionshärtungsanordnungen, einschließlich Transformatoren, zur Verwendung der zwei Spulen von 20.
30 ist eine Seitenansicht der zwei Induktionshärtungsanordnungen, einschließlich eines damit zusammenwirkenden Transformators, die jeweils die Fähigkeit schaffen, eine Spule von 18 und eine Spule von 20 für das dargestellte Werkstück zu verwenden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Für die Zwecke des besseren Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform, und zu deren Beschreibung wird eine spezifische Sprache verwendet. Nichtsdestoweniger ist ersichtlich, daß dadurch keine Beschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist. Alle Änderungen und weiteren Modifikationen der gezeigten Vorrichtung und solche weiteren Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie hier gezeigt, die normalerweise einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, einfallen würden, werden ins Auge gefaßt.
Unter Bezugnahme auf 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 6A ist eine Induktionshärtungsvorrichtung 20 gezeigt, die zum induktiven Erwärmen und Abschreckhärten einer Kurbelwelle 21 konstruiert und angeordnet ist. Die Kurbelwelle 21 ist in einer vertikalen Ausrichtung angeordnet und zwischen Zentrierspitzen 22 und 23 abgestützt. Die Darstellung der oberen Zentrierspitze 22 sollte nur als schematisch zum Zweck der Darstellung einer echten vertikalen Ausrichtung für die Kurbelwelle erachtet werden. In der tatsächlichen Praxis ist, wenn die Zapfen der Kurbelwelle induktionsgehärtet werden, eine positive Arretierung (Spannfutter) erforderlich und wird verwendet. Dies ist in 5 gezeigt. Dieses Befestigen der Kurbelwelle gestattet die Verwendung eines damit zusammenarbeitenden Drehantriebsmechanismus, um die Kurbelwelle auf der Achse zwischen der positiven Arretierung (Spannfutter) und der unteren Zentrierspitze 23 drehend zu drehen. Obgleich die Kurbelwelle 21 in 1 und 5 in einer vertikalen Anbringungsausrichtung zwischen vertikalen Zentrierspitzen gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen für eine Kurbelwelle geeignet, die in einer im wesentlichen horizontalen Ausrichtung zwischen horizontalen Zentrierspitzen angeordnet ist.
Immer noch unter Bezugnahme auf 5 sind Einzelheiten der Kurbelwelle 21 gezeigt. Die für eine Erklärung der vorliegenden Erfindung verwendete Kurbelwelle umfaßt vier Zylinder- (Kurbel-) Zapfen 27a–27d und fünf zylindrische Lagerflächen 28a–28e. Wie für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Kurbelwellen bekannt ist, sind Ausgleichsgewichte in zusammenarbeitender Beziehung zu jedem Zapfen angeordnet, um die Zapfendrehung auszugleichen und vorzugsweise die Nettozentrifugalkräfte zu eliminieren. Die Stifte 27a–27d und die Lagerflächen 28a–28e sind in abwechselnder Reihenfolge angeordnet und stellen kritische Verschleißflächen dar, die gehärtet werden müssen, und das bevorzugte Verfahren ist dasjenige mittels induktiven Erwärmens und Abschreckhärtens dieser kritischen Bereiche der Kurbelwelle. Dies ist die Aufgabe der Vorrichtung 20, die konstruiert und angeordnet ist, um eine Induktionsspulenanordnung nacheinander nahe jedem Zapfen 27a–27d anzuordnen und die erforderlichen Wärmebehandlungsschritte durchzuführen. Die Lagerflächen 28a–28e werden in einer anderen Arbeitsstation induktiv erwärmt und abschreckgehärtet, die bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen weiteren Bereich der Vorrichtung 20 umfaßt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (siehe 6A) ist die Wasserabschreckfähigkeit in die Induktionsspulenanordnungen eingebaut, die für die Zapfen und Lagerflächen verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Abschreckschritt in einer separaten Abschreckstation durchgeführt, die nicht in die Spulenanordnung eingebaut ist.
Es gibt tatsächlich drei primäre Konfigurationen für die Vorrichtung 20, mit einer sekundären variablen Konfiguration für jede primäre Konfiguration. Bei den Darstellungen von 1 bis 4 umfaßt die Vorrichtung 20 zwei praktisch identische Arbeitsstationen, die beide für das Induktionshärten von Zapfen bestimmt sind. Diese Konfiguration gestattet es, daß zwei Kurbelwellen gleichzeitig in einer Nebeneinanderanordnung induktionsgehärtet werden. Eine zweite Vorrichtung 30 (siehe 8 bis 11) ist für das Induktionshärten der Lagerflächen der Kurbelwelle vorgesehen. Die für die Lagerflächen verwendete Vorrichtung 30 kann vor der Verwendung der Vorrichtung 20 oder nach der Verwendung der Vorrichtung 20 verwendet werden. Die Reihenfolge des Induktionshärtens zwischen den Zapfen und den Lagerflächen ist nicht kritisch. Falls jedoch mehrere Lagerflächen gleichzeitig induktionsgehärtet werden, kann ein Nachschleifvorgang erwünscht sein, um jegliche geringfügige Verbiegung zu eliminieren und die Kurbelwelle wieder in den Bereich der Toleranzgrenzen zu bringen. Die Vorrichtung 30 ist wie die Vorrichtung 20 mit zwei praktisch identischen Arbeitsstationen konstruiert und angeordnet, und so können zwei Kurbelwellen gleichzeitig in einer Nebeneinanderanordnung bearbeitet werden.
Eine zweite primäre Konfiguration umfaßt eine Konstruktion für die Vorrichtung 20, die nur eine (1) Arbeitsstation aufweist, die für das Induktionshärten von Zapfen konstruiert und angeordnet ist. In gleicher Weise ist die Vorrichtung 30 mit nur einer Arbeitsstation für das Induktionshärten der Lagerflächen konstruiert und angeordnet. Die beiden Vorrichtungen mit einer einzigen Arbeitsstation können in irgendeiner Reihenfolge verwendet werden und müssen nicht in einer engen Zeitbeziehung zueinander verwendet werden. Es ist denkbar, daß als geringfügige Modifikation dieser zweiten primären Konfiguration ins Auge gefaßt wird, daß eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von Arbeitsstationen angeordnet wird und die zweite Vorrichtung nur mit einer Arbeitsstation angeordnet wird.
Die dritte primäre Konfiguration umfaßt eine Konstruktion für die Vorrichtung 20, bei der es zwei Arbeitsstationen gibt, bei der jedoch eine Arbeitsstation für die Zapfen der Kurbelwelle verwendet wird und die andere Arbeitsstation für die Lagerflächen der Kurbelwelle verwendet wird. Dieses Nebeneinanderanordnen der beiden Arbeitsstationen, bei denen jede einem unterschiedlichen Bereich der Kurbelwelle gewidmet ist, kann bei kleineren Betrieben mit begrenzteren Serien vorteilhaft sein.
Es gibt mehrere Vorrichtungs- und Arbeitsstationskombinationen, die bei der Verkörperung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, und während einige der Kombinationen erwähnt wurden, sind zusätzliche Kombinationen in 14A bis 14E gezeigt. Als teilweise Wiederholung der vorstehend angegebenen Beschreibungen zeigt 14A schematisch zwei Vorrichtungen 20 und 30 jeweils mit zwei Arbeitsstationen 33 und 36 bzw. 46 und 47. Die Arbeitsstationen 33 und 36 sind zum Induktionshärten der Zapfen der Kurbelwelle konstruiert und angeordnet. Die Arbeitsstationen 46 und 47 sind zum Induktionshärten der Lagerflächen der Kurbelwelle konstruiert und angeordnet. 14B zeigt schematisch die Verwendung von zwei praktisch identischen Vorrichtungen 200 und 300. Jede Vorrichtung umfaßt eine Zapfenarbeitsstation (33, 36) und eine Lagerflächenarbeitsstation (46, 47). In 14C wird eine einzige Vorrichtung 200 verwendet, und so ist ersichtlich, daß die Anzahl der Vorrichtungen variiert werden kann, die Anzahl der Arbeitsstationen bei jeder Vorrichtung variiert werden kann und der besondere Typ der Arbeitsstation bei jeder Vorrichtung variiert werden kann.
14D zeigt schematisch zwei separate Vorrichtungen 201 und 301, von denen jede eine einzige Arbeitsstation umfaßt, eine Arbeitsstation 33 für die Zapfen und die andere Arbeitsstation 46 für die Lagerflächen. In 14E sind Vorrichtungen 120 und 130 schematisch gezeigt, und bei dieser Anordnung sind Arbeitsstationen 133 und 136 zum gleichzeitigen Induktions erwärmen von zwei (oder mehr) Zapfen konstruiert und angeordnet. Die Vorrichtung 120 ist detailliert in 2A und 3A gezeigt, aber hier erwähnt, um eine weitere Abänderung abzudecken. Es ist auch ersichtlich, daß die Arbeitsstationen 46 und 47 zum gleichzeitigen Induktionshärten von mehreren Lagerflächen, typischerweise entweder zwei gleichzeitig oder drei gleichzeitig, konstruiert und angeordnet sind, siehe 12 und 13. Des weiteren ist ersichtlich, daß die Arbeitsstationen 133, 136 für die Vielzahl von Zapfen durch Arbeitsstationen 33 bzw. 36 in irgendeiner der Anordnungen von 14A bis 14D ersetzt werden können.
Eine weitere Kombination von Merkmalen zum Verkörpern der vorliegenden Erfindung ist in 15, 16 und 17 gezeigt, wo eine einzige Arbeitsstation zum Induktionshärten von sowohl Zapfen als auch Lagerflächen konstruiert und angeordnet ist. Eine einzige Spulenanordnung wird für die Zapfen verwendet und zwei Sätze von Spulenanordnungen werden für die Lagerflächen ähnlich der Offenbarung in 12 und 13 verwendet. Es gibt ein einziges vertikales Positioniersystem und tatsächlich eine einzige Spindel, die allen drei Serien oder Sätzen von Spulenanordnungen gemeinsam ist, die mittels X-Achsen- und Y-Achsen-Positioniermechanismen positioniert werden.
Während eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hauptsächlich die Konstruktion der Induktionsspulenanordnungen und die Antriebssysteme betrifft, die es den Spulenanordnungen gestatten, die Bahn jedes Zapfens des Kurbelwellenwerkstücks genau zu verfolgen, gibt es andere Konstruktionsmerkmale der Vorrichtung 20, die von Bedeutung sind, einschließlich der dazugehörigen Vorrichtungen, dem Positionieren des Kurbelwellenwerkstücks, der Konstruktion der Arbeitsstationen und der automatisierten Art der gesamten Vorrichtung. Zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen Änderungen bezüglich der Geschwindigkeit der Drehung der Kurbelwelle und der Rate der Bewegung der Spulenanordnung während eines einzigen Zyklus (d.h. Umdrehung), Änderungen des Energiezufüh rungsabgabe und der Gestalt der Bewegungsbahn der Spulenanordrung. Mit Bezug auf die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es wichtig zu verstehen, daß, wenn die Kurbelwelle in einer vertikalen Ausrichtung auf einer unteren Zentrierspitze gedreht wird, jeder der Zapfen und jedes der Lager eine bestimmte Bahn oder Bewegungsbahn erzeugt. Wenn eine Spulenanordnung benachbart einem bestimmten Zapfen zum induktiven Erwärmen und Abschreckhärten positioniert wird, wird die Spulenanordnung in einer X/Y-Richtung bewegt, um die gleiche Bahn zu verfolgen ohne irgendeinen Bereich der Kurbelwelle zu kontaktieren. Bei einer anderen verwandten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ändert sich die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und folglich ändert sich die Bewegungsgeschwindigkeit der sich zwangsweise bewegenden Spulenanordnung, sie nimmt während jedes Zyklus zu und/oder ab, um sich an den Wärmeverlust aufgrund von Gegengewichten anzupassen.
Die Anpassung mit Bezug auf den Wärmeverlust aufgrund von Gegengewichten kann auch durch rasches Ändern der kW-Abgabe der Energieversorgung erzielt werden. Während Bezug auf den Wärmeverlust genommen wurde, der durch die Gegengewichte verursacht wird, können die entsprechenden Einstellungen, die durch alternative Ausführungsformen dargestellt werden, durchgeführt werden, wenn es eine Struktur oder einen anderen Grund gibt, die bzw. der das Massengleichgewicht (Wärmebilanz) nahe der Zapfen (oder des Zapfens) der Kurbelwelle beeinträchtigt.
Des weiteren können dann, falls die Lagerflächen, die zur Längsdrehachse der Kurbelwelle koaxial verlaufen, eine Art Wärmesenke oder Wärmevariable umfassen, Einstellungen vorgenommen werden, um jeglichen Wärmeverlust von dieser zum Induktionshärten ausgewählten Oberfläche auszugleichen. Falls die entsprechende Induktionsspule ortsfest bleibt, umfassen die Formen der Wärmeverlusteinstellung für die Lagerflächen eine Geschwindigkeitseinstellung durch Beschleunigen und Verlang samen und eine Energieabgabeeinstellung durch Variieren der Abgabeenergie der Spulenanordnung in Abhängigkeit von der Position der Wärmesenken- oder Wärmeverlustskomponente oder -struktur. Die Beschreibung dieser beiden Einstellungen für die Zapfen ist schematisch in 7A gezeigt. Wenn es sich um Lagerflächen statt um Zapfen handelt, wird die Spulenanordnung 63 um eine entsprechende Lagerfläche, wie der Lagerfläche 28a, herum positioniert. Es ist festzustellen, daß die Spulenanordnung 48 für die Zapfen verwendet wird, während die Spulenanordnung 63 für die Lagerflächen verwendet wird. Wenn die Spulenanordnung 63 so angeordnet ist, werden die Geschwindigkeitseinstellung und die Energieabgabeeinstellung für die Lagerflächen auf die gleiche Weise wie diese Einstellungen für die Zapfen durchgeführt wurden, durchgeführt.
Falls gestattet wird, daß sich die Induktinsspulenanordnung 63 (nur) in der Y-Achsenrichtung verschiebt, dann kann die Spulenanordnungspositionierungseinstellung (siehe 7B), die eine Option für die Zapfen ist, für die Lagerflächen verwendet werden. Hier wird die Spulenanordnung 63 wiederum um die Lagerfläche, beispielsweise um die Lagerfläche 28a herum positioniert und die Spulenanordnung bewegt sich nach innen und außen (Y-Achsenrichtung), um den Abstand zwischen der Innenfläche des Spulenbereichs und der Lagerfläche zu ändern. Je näher die Innenfläche an der Lagerfläche ist, desto größer ist die Menge an Wärme, die in der Lagerfläche erzeugt wird.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform wird die Induktionsspulenanordnung durch genaue Eingabe der Abmessungs- und Positionsdaten in ein Servoantriebssystem auf eine Weise bewegt, daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Abstand zwischen der Innenfläche der Spulenanordnung und der Außenfläche des bestimmten Zapfens aufrechterhalten wird. Da die Lagerflächen zu den vertikalen Zentrierspitzen koaxial verlaufen, liegt die "Bahn" jeder Lagerfläche auf der Achse und alle Lagerflächenbahnen sind gleich. Dementsprechend werden die Induktionsspulenanordnungen sowie die Spulenpositioniersysteme als "kontaktfrei" beschrieben, da sie die Oberflächen der Kurbelwelle, die induktionsgehärtet werden sollen, nicht kontaktieren.
Unter Bezugnahme auf 1, 2, 3 und 4 ist 2 eine vollständige Draufsicht auf die Vorrichtung 20. Bei den verbleibenden Figuren ist ein Bereich zum Zwecke der zeichnerischen Klarheit entfernt. In 1 wurden Teile der Steuerungen, des Rahmens und der Antriebsspindel aus Gründen der zeichnerischen Klarheit entfernt. In 3 wurden die Kurbelwelle, Systemkomponenten und der Roboter aus Gründen der zeichnerischen Klarheit entfernt, während in 4 die Mensch-/Maschine-Schnittstelle (HMI) entfernt wurde. Folglich sollten diese vier Figuren zusammen als ein sich ergänzender Satz von Zeichnungen erachtet werden.
Auf der Grundlage der Darstellungen dieser Zeichnungsfiguren umfaßt die Induktionshärtungsvorrichtung 20 eine erste Arbeitsstation 33, die innerhalb eines Gehäuses 34 mit vorderseitigen Zugangstüren 35 angeordnet ist, und eine zweite Arbeitsstation 36 ähnlicher Konstruktion. Die beiden Arbeitsstationen sind mit geschlossenen Türen 35 gezeigt, wobei jedoch die Arme, Zentrierspitzen, Antriebe und Lager gezeigt sind. Deshalb ist 3 mit Bezug auf das, was hinter den geschlossenen Türen 35 gezeigt ist, als schematisch anzusehen. An der ersten Arbeitsstation werden die Zapfen 27a–27d einer ersten Kurbelwelle induktiv erwärmt und abschreckgehärtet. Bei einer Ausführungsform wird eine einzige Spule verwendet, und die Zapfen werden nacheinander induktionsgehärtet. Bei einer verwandten Ausführungsform, siehe 2A und 3A können zwei Zapfen gleichzeitig induktionsgehärtet werden. Dies erfordert die Verwendung von zwei Spulenanordnungen und eine Konstruktion, durch die die Zapfen 27a und 27c gemeinsam induktionsgehärtet werden, und anschließend werden dann die Zapfen 27b und 27d gemeinsam (d.h. gleichzeitig) induktionsgehärtet.
An der zweiten Arbeitsstation 36 werden die Zapfen einer zweiten Kurbelwelle induktiv erwärmt und abschreckgehärtet. Im wesentlichen sind die beiden Arbeitsstationen 33 und 36 von praktisch identischer Konstruktion und werden gleichzeitig verwendet, um zwei separate Kurbelwellen einem Induktionshärten zu unterziehen. Die Kurbelwellen an den beiden Arbeitsstationen wurden aus Gründen der zeichnerischen Klarheit in 3 nicht gezeigt. Die beiden Kurbelwellen, die an den beiden Arbeitsstationen 33 und 36 induktionsgehärtet werden, werden mittels des Roboters 37 geladen und entladen. Falls eine zweite Vorrichtung 30 zum Induktionshärten der Lagerflächen der beiden Kurbelwellen vorhanden ist, werden dann die Kurbelwellen auch zu der Lagerflächenvorrichtung 30 mittels eines Robotermechanismus wie des Roboters 37 bewegt. An dieser zweiten Vorrichtungsposition werden die Lagerflächen 28a–28e induktiv erwärmt und abschreckgehärtet. Wenn sie fertiggestellt sind, entfernt der Roboter 37 die Kurbelwellen und lädt die nächsten Kurbelwellen in ihre Position an der ersten Vorrichtung.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 und 3 wird die Verarbeitung der Kurbelwelle 21 an der Arbeitsstation 33 detailliert beschrieben. Es ist ersichtlich, daß die Struktur der Arbeitsstation 36 praktisch identisch beim Induktionshärten der Zapfen einer zweiten Kurbelwelle ist. Die Kurbelwelle 21 wird in ihre Position an der Arbeitsstation 33 der Vorrichtung 20 bewegt und in der gewünschten vertikalen Ausrichtung durch den Roboterarm gehalten, bis die Abstützarme 40 und 41 der ersten Arbeitsstation 33 (und die Abstützarme 42 und 43 der zweiten Arbeitsstation 36) die vertikale Positionierung und Abstützung der Kurbelwelle 21 übernehmen. Jeder Abstützarm 40–43 wird automatisch in seine Position auf der Grundlage der programmierbaren Logiksteuerungsschaltung bewegt, die verwendet wird, um die mechanischen Antriebssysteme und Stellantriebe, die mit jedem Abstützarm verbunden sind, vorzuprogrammieren. Jeder untere Abstützarm 41 und 43 wird mit einer Zentrierspindelspitze 41a bzw. 43a zum Einsetzen in eine entsprechende Zentrierspitzenaufnahme am Ende der Kurbelwelle zusammengebaut, die in ihre Position an der entsprechenden Arbeitsstation geladen wird. Die oberen Abstützarme 40 und 42 werden jeweils mit einem Lagergehäuse 40a bzw. 42a und einem damit zusammenwirkenden Spannfutter 40b bzw. 42b zusammengebaut, das verwendet wird, um das obere Ende der Kurbelwelle zu verriegeln. Die Befestigung der Kurbelwelle auf diese Weise hält eine echte vertikale Ausrichtung aufrecht und schafft eine echte vertikale Achse zum Drehen der Kurbelwelle auf ihrer Längsmittellinie, die zu der geometrischen Mittellinienachse jeder zylindrischen Lagerfläche 28a–28e konzentrisch ist.
Während die axiale Position jedes oberen Arms 40 und 42 während der Schritte des induktiven Erwärmens und Abschreckhärtens die gleiche für jede Kurbelwelle, ungeachtet der Größe oder Länge, ist, sind die unteren Arme 41 und 43 beweglich und können axial in verschiedene "Serien"-Positionen verschoben werden, um unterschiedliche Kurbelwellenlängen aufzunehmen. Ein mit elektrischem Strom betriebener Spindelmotor 44 für das drehbare Drehen der Kurbelwelle mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ist am Ende des oberen Arms 40 angebracht. Ein gleicher mit elektrischem Strom betriebener Spindelmotor 45 ist an dem Ende des oberen Arms 42 zur drehenden Drehung an der zweiten Arbeitsstation angebracht. Das Drehen der Kurbelwelle ist im allgemeinen günstig, um ein gleichmäßiges und ausgeglichenes Erwärmungsmuster in dem Werkstück, gleichgültig welcher Bereich das Zentrum des Induktionshärtens ist, zu erzeugen. Das Drehen der Kurbelwelle ist auch für das gleichmäßige Abschrecken günstig. Da die an jeder Arbeitsstation jeder Vorrichtung verwendete Induktionsspulenanordnung von offener, halbzylindrischer Gestalt ist, ist es wesentlich, daß jede Kurbelwelle gedreht wird, um ein vollständiges und gleichmäßiges Erwärmen der kritischen Bereiche der Kurbelwelle zu erzielen. Bei der ersten Vorrichtung 20, einschließlich beider Arbeitsstationen 33 und 36 sind diese kritischen Bereiche die Zapfen 27a–27d. Bei der zweiten Vorrichtung 30, einschließlich beider Arbeitsstationen 46 und 47, sind diese kritischen Bereiche die Lagerflächen 28a–28e.
Die folgende Beschreibung bezüglich der ersten Arbeitsstation 33 ist praktisch identisch für die zweite Arbeitsstation 36. Der obere Arm 40 ist mit einem Klemmzylinder 33a (Zylinder 36a an der Arbeitsstation 36) verbunden, der verwendet wird, um die entsprechende Kurbelwelle zwischen dem Spannfutter 40b und der Zentrierspindelspitze 41a einzuklemmen. Die vertikale Bewegung der eingespannten und zentrierten Kurbelwelle umfaßt den vertikalen Positionierbereich 33 (Bereich 36b an der Arbeitsstation 36), welcher für den Z-Achsenantrieb sorgt. Dieser Z-Achsenantrieb ist ein Kugelumlaufspindel-Servoantrieb und wird verwendet, um die vertikale Position der Kurbelwelle zu verschieben, wenn es gewünscht wird, die Kurbelwelle zu bewegen, so daß ein andererer Zapfen benachbart der entsprechenden Induktionsspulenanordnung positioniert wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich eine einzige Induktionsspulenanordnung 48 an der ersten Arbeitsstation 33 und ist sicher an einem Y-Antriebssystem 49 befestigt, das mittels einer geeigneten Servoschaltung auf der Grundlage der Teilegeometrie und -abmessungen gesteuert wird, die aus den Kurbelwellenzeichnungen oder aus anderen Teilespezifikationen abgeleitet werden. Das System 49 ist derart konstruiert und angeordnet, daß es die Induktionsspulenanordnung 48 in der Richtung des Pfeils 50 nach innen und außen bewegt. Die Spulenanordnung 48 ist auch sicher an einem X-Antriebssystem 51 angebracht, das mittels der Stellantriebsschaltung gesteuert wird und in der gleichen Weise wie derjenigen, die für das Y-Antriebssystem 49 verwendet wird, gesteuert wird. Das System 51 ist derart konstruiert und angeordnet, daß es die Induktionsspulenanordnung 48 nebeneinander in der Richtung des Pfeils 52 bewegt.
Die X- und Y-Antriebssysteme 51 und 49 enthalten jeweils Servokugelumlaufspindeltische, die die Induktionsspulenanordnung 48 tatsächlich positionieren. Diese beiden Tische sind mechanisch miteinander unter einer 90°- oder rechtwinkligen Beziehung verbunden, wie es für X- und Y-Antriebe ersichtlich ist und erwartet wird. Wie erklärt, wird die Kurbelwelle 21 tatsächlich auf den Zentrierspitzen 22 und 23 angebracht und gedreht. In der tatsächlichen Praxis hat die obere Zentrierspitze 22 die Form eines Spannfutters 40b. Ein Servomotor (mit elektrischem Strom angetriebener Spindelmotor) 44 wird verwendet, um die Kurbelwelle anzutreiben und liefert Drehungsdaten und Zapfenpositionsdaten an eine Computersteuerung, die betriebstechnisch mit den X- und Y-Antriebssystemen 51 und 49 verbunden ist. Positionsdaten bezüglich der Position des entsprechenden Zapfens 27a, der induktiv erwärmt und abschreckgehärtet werden soll, werden in die Computersteuerung eingegeben, die ein Datenbankprogramm verwendet, um die Induktionsspulenanordnung 48 in einer Zwangsbewegungsbahn zu bewegen, die der bestimmten Bahn für den bestimmten Zapfen folgt. Das Computersteuerungsprogramm steuert die X- und Y-Antriebssysteme und insbesondere die entsprechenden Servokugelumlaufspindeltische, die die Spulenanordnung positionieren.
Jeder Zapfen weist eine bestimmte Umfangsposition mit Bezug auf die Längsachse der Kurbelwelle 21 auf. Diese Zapfenpositionen fallen mit der Zündungssequenz für die Zylinder des Motors zusammen. Während die Bahn jedes Zapfens kreisförmig ist und während jede Bahn von der gleichen Größe ist, hängt die tatsächliche Position eines bestimmten Zapfens innerhalb seiner kreisförmigen Bahn zu jedem Zeitpunkt davon ab, welcher Zapfen in Erwägung gezogen wird, und von dem entsprechenden Zylinder. Dementsprechend ist es möglich, wenn der Servomotor 44 Positionsdaten bezüglich des Drehungsstatus der Kurbelwelle liefert, eine genaue und entsprechende Zapfenposition für jeden Zapfen 27a–27d der Kurbelwelle zu berechnen, wenn die Zapfenabmessungen und -winkligkeit aus den Kurbelwellenteilespezifikationen und/oder aus den Kurbelwellenblaupausen oder CAD-Zeichnungen bekannt sind. Es ist so mit diesen Daten möglich, eine Zwangsbewegungsbahn für die Induktionsspulenanordnung 48 mit Bezug auf jeden Zapfen zu schaffen.
Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Antriebssysteme für die Induktionsspulenanordnung programmiert, um die Spulenanordnung auf einer Bahn zu bewegen, die die Bahn des Zapfens, der induktionsgehärtet wird, genau verfolgt oder kopiert. Dieses genaue Verfolgen durch die Spulenanordnung positioniert die halbzylindrische Innenfläche des Spulenbereichs an einem festgelegten Trennungsabstand (siehe 7) mit Bezug auf die Außendurchmesserfläche des Zapfens.
Der Induktionsspulenbereich der Spulenanordnung 48 ist von halbkreisförmiger, halbzylindrischer Gestalt (siehe 6). Die Innenfläche 57 ist derart gestaltet, daß sie der Gestalt jedes Kurbelwellenzapfens entspricht, der zylindrisch ist. Durch die Schaffung der Spulenanordnung 48 mit einer offenen Seite, kann die Spule um einen Bereich jedes Kurbelwellenzapfens angebracht werden. Wenn sich der bestimmte Zapfen mit der Kurbelwelle dreht, wird sein gesamter Umfang schließlich direkt benachbart der Innenfläche 57 angeordnet. Diese Positionsbeziehung ist schematisch in 7 gezeigt. Vier Punke A, B, C und D, die neunzig Grad (90°) beabstandet sind, wurden auf der Oberfläche des zylindrischen Zapfens 58 identifiziert, um zeigen zu können, wie sich diese Punkte mit Bezug auf die X- und Y-Richtungen für die Induktionsspulenanordnung 48, wie durch die Pfeile 52 bzw. 50 dargestellt, verschieben. Die Beschreibung des Geschehens an der ersten Arbeitsstation 33 der Vorrichtung 20, wird an der zweiten Arbeitsstation 36 der Vorrichtung 20 dupliziert, wenn die zweite Arbeitsstation zum Induktionshärten von Zapfen gestaltet ist.
In denjenigen Situationen, in denen Gegengewichte verwendet werden, die benachbart der Zapfen verbunden sind, gibt es eine Wärmesenke, die Wärme von dem Zapfen weg zieht, wenn die Spulenanordnung demjenigen Teil des Zapfen gegenüberliegt, der dem Gegengewicht am nächsten ist. Wie für eine Induktionshärtungsvorrichtung des hier beschriebenen Typs ersichtlich ist, ist der erwärmte Teil des Zapfens oder der Lagerfläche lokalisiert und ist derjenige Teil, der der halbzylindrischen Innenfläche 57 des Spulenbereichs am nächsten ist. Folglich gibt es, wenn sich der Spulenbereich gegenüber dem Gegengewicht befindet, keinen merklichen Wärmesenkenverlust, der durch irgendeine Formanpassung angesprochen werden muß.
Bei den verwandten Anordnungen kann die Anpassungsform zum Ausgleich des Wärmeverlusts drei unterschiedliche Formen haben. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (siehe 7a) wird die Drehung der Kurbelwelle bei jeder Drehung variiert (beschleunigt und/oder verlangsamt), so daß es eine kurzes Verweilen oder Verlangsamen der Drehungsrate gibt, wenn sich der Spulenbereich benachbart dem Wärmesenkenbereich (d.h. dem Gegengewicht 58a) des Zapfens befindet. Dieses Verweilen erzeugt mehr Wärme, was die Wärme ausgleicht, die aufgrund der Masse der Gegengewichte verloren geht, die Wärme von dem betreffenden Bereich weg leiten.
In der Zeichnung von 7A ist die Position des Gegengewichts 58a mit Bezug auf die Spulenanordnung 48 in vier unterschiedlichen Positionen (Z0–Z3) während eines Zyklus gezeigt, der einer Umdrehung der Kurbelwelle entspricht. Wie beschrieben, variiert die Drehungsgeschwindigkeit (S_R) der Kurbelwelle in Abhängigkeit von der Position des Gegengewichts (Z_N) mit Bezug auf den Spulenbereich der Spulenanordnung. Die Spulenanordnung 48 ist schematisch durch einen halbzylindrischen Spulenbereich dargestellt. In der Z1-Position ist, wenn der Spulenbereich wirksam auf dem Gegengewicht 58a zentriert ist, die Geschwindigkeit der Drehung (S_R1) die geringste des gesamten Zyklus. Dies bewirkt, daß der Spulenbereich während eines längeren Intervalls benachbart dieses Bereichs des Zapfens bleibt, so daß dem Zapfen mehr Wärme zugeführt wird. Wenn sich der Spulenbereich und das Gegengewicht 58a an entgegengesetzten Seiten des Zapfens 58 befinden, der Z3-Position, ist die Geschwindigkeit der Drehung (S_R3) maximal für den Zyklus (d.h. eine Umdrehung der Kurbelwelle). Dies bedeutet, daß der Erwärmungsintervall kürzer ist, was geeignet ist, da das Gegengewicht 58a keine signifikante Wärmemenge von dem Zapfen abziehen wird. Zwischen diesen beiden Geschwindigkeitsextremen wird die Geschwindigkeit der Drehung beschleunigt und verlangsamt. Diese Beschleunigungslinie von Z1 bis Z3 fällt mit der Verlangsamungslinie von Z3 zu Z1 zusammen.
Bei einer anderen Anordnung, die die vorliegende Erfindung nicht verkörpert (siehe 7B) wird der Trennungsabstand der Spulenanordnung mit Bezug auf die Zapfenoberfläche während jedes Zyklus (d.h. jeder Umdrehung der Kurbelwelle) geringfügig variiert oder geändert. Wenn sich die Spulenanordnung auf der Gegengewichtsseite des Zapfens befindet, ist sie näher an dem Zapfen angeordnet als wenn sich das Gegengewicht an der gegenüberliegenden Seite des Zapfens von der Spule befindet. Durch das nähere Anordnen des Spulenbereichs ist die durch die Spulenanordnung erzeugte Wärme in den Zapfen größer als bei dem engeren Abstand. Dieser Ansatz erfordert es, daß die X- und Y-Antriebssysteme für die Spulenanordnung so gesteuert werden, daß sie eine Bahn überstreicht, der mehr elliptisch als kreisförmig ist.
In der Zeichnung von 7B ist die Position des Gegengewichts 58a mit Bezug auf die Spulenanordnung 48 in vier unterschiedlichen Positionen (Z0–Z3) während eines Zyklus gezeigt. Die Positionen von 7B entsprechen im allgemeinen den Positionen von 7A. In der Z1-Position ist der Spulenbereich dem Zapfen am nächsten, was die größte Wärmemenge erzeugt, was die Wärme ausgleicht, die verloren geht, weil das Gegengewicht als Wärmesenke wirkt. In der Z3-Position, die um 180° von der Z1-Position versetzt ist, befindet sich der Spulenbereich an seiner Position der größten Trennung von dem Zapfen. Dies ist die Position, in der das Gegengewicht die geringste Wirkung, falls überhaupt, auf die Wärmeverringerung aufgrund der Tatsache hat, daß das Gegengewicht als Wärmesenke arbeitet.
Wenn sich die Kurbelwelle dreht und sich der Zapfen 58 durch die Position Z2 von Z1 zu Z3 bewegt, erhöht sich der Abstand der Trennung zwischen der Innenfläche 57 des Spulenbereichs und der Außendurchmesserfläche des Zapfens. Dann wenn er von Z3 zu Z1 über die Z0-Position zurückkehrt, nimmt der Abstand der Trennung ab.
Falls ein Punkt (X) auf dem Spulenbereich markiert ist, und sein Weg einen Zyklus verfolgt, ist ersichtlich, daß die Zwangsbewegungsbahn eher elliptisch als kreisförmig ist.
Bei einer weiteren Anordnung, die dieses Mal die vorliegende Erfindung verkörpert, ist die Bahn des Spulenbereichs der Spulenanordnung kreisförmig, die Rate der Drehung ist konstant und der Trennungsabstand bleibt konstant. Jedoch wird die Energieabgabe (kW) der Energieversorgung für die Spulenanordnung in Abhängigkeit von der Position der Kurbelwelle und dementsprechend in Abhängigkeit davon, wo der Spulenbereich mit Bezug auf die Ausrichtung des Zapfens und die Position des Gegengewichts positioniert ist, variiert. Die Zeichnung von 7A ist geeignet, die Drehung des Zapfens und des Gegengewichts schematisch zu zeigen, wenn die Energieabgabe variiert wird. In der Z1-Stellung ist die Energieabgabe aufgrund der Position des Gegengewichts am höchsten. In der Z3-Position ist die Energieabgabe aufgrund der Position des Gegengewichts am niedrigsten. Die Energieabgabe nimmt von Z1 zu Z3 ab und nimmt dann von Z3 zu Z1 zu. Wenn sich die Spule benachbart der Gegengewichtsseite des Zapfens befindet, wird die Energieabgabe erhöht, um mehr Wärme zu erzeugen und dadurch die Wärme auszugleichen, die über das Gegengewicht verloren geht.
Es ist wichtig, zu verstehen, daß alle Einstellungen, die durch diese alternativen Ausführungsformen gemacht werden, mit den gleichen grundlegenden mechanischen und elektrischen Strukturen erzielt werden, die mit der Vorrichtung 20 verbunden sind. Alle Einstellungen werden durch Ändern der Geschwindigkeitsprogrammierung des Spindelmotors und der Zwangsbewegungsgeschwindig keit der X- und Y-Antriebssysteme oder durch Ändern der Energieabgabe von der Energieversorgung durchgeführt.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Induktionsspulenanordnung frei von jedem direkten physischen Kontakt mit dem Kurbelwellenzapfen ist, der induktiv erwärmt und abschreckgehärtet wird. Die Induktionsspulenanordnung ist auch frei von jedem direkten physischen Kontakt mit allen anderen sich in einer Bahn bewegenden Merkmalen. In gleicher Weise ist bei der zweiten Vorrichtung die entsprechende Induktionsspulenanordnung frei von jedem direkten physischen Kontakt mit der Kurbelwellenlagerfläche, die induktiv erwärmt und abschreckgehärtet wird. Der Mangel an jeglichem Kontakt umfaßt die Tatsache, daß sich kein Sensor oder Positionsanzeiger auf der Oberfläche des entsprechenden Zapfens oder der entsprechenden Lagerfläche bewegt. Auf diese Weise unterliegt die Spulenanordnung keinem Verschleiß, der die Standzeit der Spule beträchtlich oder verkürzen verringern würde. Durch das Gestalten einer Vorrichtung, bei der es keinen Kontakt zwischen dem Spulenbereich der Anordnung und der Oberfläche oder dem Bereich der induktionsgehärtet wird, gibt, ist der Verschleiß des Spulenbereichs praktisch eliminiert und die Standzeit des Spulenbereichs ist merklich verlängert. In gleicher Weise gibt es, da alle anderen Bereiche der Induktionsspulenanordnung frei von jedem Kontakt mit dem Kurbelwellenbereich, der induktionsgehärtet wird, sind, keinen Verschleiß dieser Bereiche und keine verringerte Standzeit. Einige der Schlüssel zum Erfolg der vorliegenden Ausführungsformen umfassen das präzise Programmieren der X- und Y-Bewegung der Spule auf der Grundlage der Zapfenbahn und die offene, halbzylindrische Konstruktion des Spulenbereichs der Spulenanordnung. Während eine vertikale Kurbelwellenausrichtung bevorzugt ist, ist die Eignung der vorliegenden Erfindung nicht auf eine vertikale Kurbelwelle beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist gleichermaßen gut für Kurbelwellen geeignet, die horizontal zwischen Zentrierspitzen abgestützt sind.
Die erste Arbeitsstation 33, die mit Bezug auf die Spulenanordnungsbewegung und das Induktionshärten der Kurbelwellenzapfen beschrieben wurde, besitzt eine Konstruktion, die praktisch durch die zweite Arbeitsstation dupliziert wird. Die zweite Arbeitsstation 36 umfaßt ein praktisch identisches X-Antriebssystem 61, ein praktisch identisches Y-Antriebssystem 62, wobei der damit zusammenwirkende Servokugelumlaufspindeltisch auf neunzig (90) Grad dazu eingestellt ist, und eine Induktionsspulenanordnung 63 mit einer offenen, halbzylindrischen Gestaltung, die mit Spulenanordnung 48 praktisch identisch ist. Der Servomotor 45 funktioniert auf praktisch die gleiche Weise wie der Motor 44 und steuert die Drehbewegung der entsprechenden Kurbelwelle. Wie beschrieben wurde, sind die beiden Arbeitsstationen 33 und 36 der Vorrichtung 20 so konstruiert und angeordnet, daß sie praktisch identisch sind, so daß die beiden Kurbelwellen gleichzeitig bearbeitet werden können, wodurch die Durchsatzrate verdoppelt wird. Wenn beide Arbeitsstationen 33 und 36 zum Induktionshärten von Kurbelwellenzapfen konstruiert sind, sind ihre Konstruktionen praktisch identisch, so daß zwei Kurbelwellen gleichzeitig bearbeitet werden können.
Der Hauptunterschied zwischen der ersten Vorrichtung 20 und der zweiten Vorrichtung 30 besteht in dem Unterschied, welche Bereiche der Kurbelwellen an jeder Vorrichtungsposition induktionsgehärtet werden. Bei der ersten Vorrichtung 20 werden die Kurbelwellenzapfen induktionsgehärtet, während bei der zweiten Vorrichtung (siehe 8–11) die Lagerflächen induktionsgehärtet werden. Da die zylindrischen Lagerflächen koaxial zueinander verlaufen, von der gleichen zylindrischen Größe sind und auf der Längsachse der Kurbelwelle zentriert sind, ist die Steuerung der Bewegung der Lagerflächeninduktionsspulenanordnungen 64a–64e bei der zweiten Vorrichtung 30 weniger komplex. Der vorstehende Vergleich ist anwendbar, gleichgültig ob diese zwei Vorrichtungen eine, zwei oder eine andere Zahl von praktisch identischen Arbeitsstationen umfassen.
Mit Bezug auf die Lagerflächen 28a–28e, die einen Bereich der Kurbelwelle 65 umfassen, besitzen diese Oberflächen, wie angegeben, im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser und die gleiche zylindrische Gestalt. Was wesentlich ist, ist, daß diese zylindrischen Oberflächen konzentrisch zu der Längsachse der Kurbelwelle und dementsprechend konzentrisch zu der Längsachse verlaufen, die sich zwischen den beiden Abstützzentrierspitzen erstreckt. Wie gezeigt, ist die obere Zentrierspitze vorzugsweise durch eine positive Arretierung (Spannfutter) ersetzt. Folglich besitzen die Induktionsspulenanordnungen 64a–64e, die an den Arbeitsstationen der zweiten Vorrichtung 30 verwendet werden, eine festgelegte Position während der Drehung der Kurbelwelle, wenn jede Spulenanordnung anfänglich in die gewünschte Nähe zu der entsprechenden Lagerfläche eingesetzt ist, da die Lagerflächen tatsächlich keine eigene einzigartige Bahn besitzen. Es muß noch irgendeine Art eines X- und Y-Positionierungssystem geben, um anfänglich jede Spulenanordnung benachbart der entsprechenden Lagerfläche zu positionieren, aber wenn sie jeweils ordnungsgemäß positioniert ist, muß die Induktionsspulenanordnung für die entsprechenden Lagerflächen nicht in einer bestimmten oder entsprechenden Bahn bewegt oder zwangsweise bewegt werden. Dies ist offensichtlich bei den Zapfen aufgrund ihrer achsenfernen Position mit Bezug auf die Kurbelwellenmittellinie anders.
In dem Ausmaß, in dem die Kurbelwelle 65 die Menge an zu erzeugender Wärme aufnehmen kann, falls mehr als eine Lagerfläche gleichzeitig induktiv erwärmt werden soll, ist es möglich, eine Vielzahl von Spulenanordnungen 64a–64e an den Arbeitsstationen der Vorrichtung 30 zu verwenden. Die Konfiguration der Vorrichtung 30, wie in 8 bis 11 gezeigt, umfaßt eine Reihe von fünf Induktionsspulenanordnungen 64a, 64b, 64c, 64d und 64e. Die Kurbelwelle 65, die in die Position zwischen vertikalen Zentrierspitzen 66a und 66b geladen ist, umfaßt fünf Lagerflächen, und der Betrieb der Vorrichtung 30 erwärmt induktiv drei der fünf Lagerflächen in einem Betriebszyklus und die verbleibenden zwei Lagerflächen in einem separaten Betriebszyklus (siehe 12 und 13). Wie beschrieben wurde, ist die obere Zentrierspitze 66a vorzugsweise eine positive Arretierung (Spannfutter) im Stil des Spannfutters 40b. Auf jeden Induktionserwärmungsschritt folgt unmittelbar ein Abschreckschritt. In Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung wird das Abschreckfluid bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels der Induktionsspulen zugeführt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Abschreckfluid durch einen separaten Abschreckmechanismus zugeführt, der nicht die Induktionsspulenanordnungen als Zuführvorrichtung verwendet.
In der Darstellung von 8 sind die fünf Spulenanordnungen 64a–64e jeweils so gezeigt, als wären sie mit Bezug auf ihre entsprechenden Lagerflächen der Kurbelwelle 65 positioniert. Diese Anordnung würde verwendet, falls alle fünf Lagerflächen gleichzeitig induktionsgehärtet werden sollten. Da dies jedoch zu viel Wärme erzeugen würde, zeigen 12 und 13, wie drei Spulenanordnungen zuerst verwendet werden und dann wie zwei Spulenanordnungen verwendet werden. Diese Reihenfolge kann umgekehrt werden, worauf es jedoch ankommt, ist, daß durch das gleichzeitige Erwärmen einer geringeren Anzahl von Lagerflächen weniger Wärme und weniger Verbiegung erzeugt werden. Gleichgültig ob die zwei Lagerflächen vor oder nach den anderen drei Lagerflächen induktiv erwärmt und abschreckgehärtet werden, führt das gleichzeitige Bearbeiten von mehreren Lagerflächen zu einem schnelleren Gesamtfertigstellungszyklus im Vergleich zu dem Bearbeiten von jeweils einer Lagerfläche zu einem Zeitpunkt. Als Teil der Vorrichtung 30 enthalten sind eine induktive Energieversorgung 30a, ein Y-Achsenantriebssystem 30b, eine Gleitschiene 30c, eine Transformatoranordnung 30d, eine Sammelschiene 30e und eine Sammelschienenverlängerung 30f. Mit Ausnahme der Sammelschienenverlängerung und der Gleitschiene, die das X-Achsenantriebssystem 51 der Vorrichtung ersetzt, ist die Vorrichtung 30 mit der Vorrichtung 20 praktisch identisch.
Unter Bezugnahme auf 15, 16 und 17 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Die Vorrichtung 220 weist drei horizontale Positioniersysteme 221, 222 und 223 auf, die jeweils mit einer entsprechenden Spulenanordnung für die Zapfen oder einer Vielzahl von Spulenanordnungen für die Lagerflächen verbunden sind. Jedes Positionierungssystem umfaßt X-Achsen- und Y-Achsen-Positionierungssysteme, die zu einander unter einem Winkel von 90° festgelegt sind. Für die Lagerflächen (Systeme 221 und 222) ist das X-Achsen-Positioniersystem eine manuelle Gleitvorrichtung. Ein separater Wärmestationstransformator 224, 225 und 226, der benachbart jedem horizontalen Positioniersystem angeordnet ist, ist auch gezeigt. Die Vorrichtung 220 umfaßt alle Standardsystemkomponenten, selbst wenn diese nicht gezeigt sind. Diese Standardsystemkomponenten sind in anderen Zeichnungsfiguren gezeigt und sind hier einfach aus Gründen der zeichnerischen Klarheit und aufgrund der Tatsache nicht gezeigt, daß der Schwerpunkt der Ausführungsform von 15–17 auf der Art des Kombinierens von Induktionshärtungs-Untersystemen sowohl für die Zapfen als auch die Lagerflächen zu einer einzigen Arbeitsstation liegt. Die Vorrichtung 220 umfaßt des weiteren ein gemeinsames Abstützsystem 227 für die vertikale Bewegung entlang der Z-Achse, ein oberes Spannfutter 228 und eine untere vertikale Abstützzentrierspitze 229.
Bei der gezeigten Ausführungsform von 15 muß, falls alle drei horizontalen Positioniersysteme 221, 222 und 223 tatsächlich verwendet werden, das gemeinsame Abstützsystem 227 (oder denkbarerweise eines der horizontalen Positioniersysteme) aus seiner gezeigten Position herausgeschwenkt werden, damit das Werkstück (d.h. die Kurbelwelle) in seine Position geladen werden kann. Eine weitere Option ist es, das Werkstück von oben her (d.h. über Kopf) zu laden. Eine weitere Option ist es, nur zwei der drei horizontalen Positioniersysteme zu verwenden, und, um diese Option zu veranschaulichen, ist das System 222 mit einer unterbrochenen Linie in 15 umrissen.
Während einige der Komponenten und Merkmale bei einigen der Zeichnungen einfach aus Gründen der zeichnerischen Klarheit weggelassen wurden, kann man die Vorrichtung 220 aufgrund der nachfolgenden Analyse vollständig verstehen. Die Konstruktion der Vorrichtung 220 ist ersichtlich, wenn man feststellt, daß das Positionierungssystem 221 und der Transformator 224 im wesentlichen die gleichen sind wie in 12 dargestellt, wo drei Spulenanordnungen gesteuert werden, die verwendet werden, um gleichzeitig drei Lagerflächen einem Induktionshärten zu unterziehen. Das Positionierungssystem 222 und der Transformator 225 sind im wesentlichen die gleichen wie in 13 gezeigt, wo zwei Spulenanordnungen gesteuert werden, die verwendet werden, um zwei Lagerflächen gleichzeitig einem Induktionshärten zu unterziehen. Das Positionierungssystem 223 und der Transformator 226 sind im wesentlichen die gleichen wie in 5 gezeigt, wo eine Spulenanordnung gesteuert wird, die verwendet wird, um die Zapfen der Kurbelwelle 230 nacheinander einem Induktionshärten zu unterziehen. Die Spulenanordnungen umfassen Anordnungen 221a, 221b und 221c für das System 221, Anordnungen 222a und 222b für das System 222 und die Anordnung 223a für das System 223.
In 16 sind die Lagerflächenspulen 221a, 221b, 221c, 222a und 222b und auch das Positionierungssystem 223 nicht gezeigt. In 17 ist das Positionierungssystem 223 gezeigt, aber die beiden Lagerflächenpositionierungssysteme 221 und 222 sind aus Gründen der zeichnerischen Klarheit weggelassen. Die Abstützarme 231 und 232 sind genau so wie die Arme 40–43, wie es in Übereinstimmung mit der Beschreibung von 15–17 zu erwarten wäre, gestaltet. In jeglicher Hinsicht ist der Betrieb der Vorrichtung 220 der gleiche wie der Betrieb der entsprechenden Bereiche der Vorrichtungen 20 und 30. Der Unterschied umfaßt die Verwendung eines einzigen vertikalen Positioniersystems für die Kurbelwelle in Kombination mit horizontalen (Gleit-) Positioniersystemen, die die Spulen für sowohl die Zapfen als auch die Lagerflächen an der gleichen einzigen Arbeitsstation positionieren.
Es ist auch eine Option, die Vorrichtung 20 und die Arbeitsstationen 33 und 36 mit mehreren Induktionsspulenanordnungen, jede mit ihrem eigenen Servoantriebssystem, ihren eigenen X- und Y-Antriebssystemen und ihrer eigenen Steuerschaltungen zu gestalten. Dies gestattet das gleichzeitige Bearbeiten von mehreren Zapfen einer Kurbelwelle. Falls zwei Arbeitsstationen als Teil der Vorrichtung gestaltet sind und verwendet werden, dann kann jede Arbeitsstation mit mehreren Induktionsspulenanordnungen für die Kurbelwellenzapfen gestaltet werden.
Unter Bezugnahme auf 2A und 3A ist die Vorrichtung 120 mit Arbeitsstationen 133 und 136 gezeigt. Angesichts der Tatsache, daß die Vorrichtung 120 mit der Vorrichtung 20 praktisch identisch ist, obgleich mit dem Hinzufügen einer zweiten Spulenanordnung und damit zusammenarbeitenden Antriebssystemen, erhielten die entsprechenden Bezugszeichen das Vorzeichen 100. Dementsprechend ist beabsichtigt, daß die Arbeitsstation 133 mit der Arbeitsstation 33 praktisch identisch ist, und in gleicher Weise ist beabsichtigt, daß die Arbeitsstation 136 mit der Arbeitsstation 36 praktisch identisch ist.
Einer der Unterschiede zwischen der Vorrichtung 20 und der Vorrichtung 120 umfaßt das Verlegen der vertikalen Positionsbereiche 133b bzw. 136b (33b und 36b für die beiden Arbeitsstationen 33 und 36) in den Raum zwischen den beiden Arbeitsstationen 133 und 136. Dies macht die linke Seite der einen Arbeitsstation 133 und die rechte Seite der anderen Arbeitsstation 136 offen, so daß die zweiten X- und Y-Antriebssysteme 151a und 149a bzw. 161a und 162a, wie in 2A und 3A gezeigt, eingebaut werden können. Die zweite X-Y-Antriebsanordnung an der Arbeitstation 133 ist praktisch identisch mit der Anordnung des X-Antriebssystems 151 und des Y-Antriebssystems 149. In gleicher Weise ist die zweite X-Y-Antriebsanordnung an der Arbeitsstation 136 praktisch identisch mit der Anordnung des X-Antriebssystems 161 und des Y-Antriebssystems 162. Mit Bezug auf die vier X-Y-Antriebsanordnungen, die gezeigt sind, umfaßt jede ein X-Achsenantriebssystem, ein Y-Achsenantriebssystem, einen Transformator und ein Transformatorgehäuse. Um alle diese Komponententeile zu zeigen, wurden die Zeichnungen schematisch berichtigt, um den Transformator aus zwei Positionen zu entfernen, um die X- und Y-Antriebe besser zu zeigen.
Wie die erste X-Y-Antriebsanordnung, die sich an der Arbeitsstation 133 befindet, ist die zweite X-Y-Antriebsanordnung mit einer Induktionsspulenanordnung 148a über eine Sammelschiene 181a und eine Schnellwechselvorrichtung 180a verbunden. Die erste X-Y-Antriebsanordnung ist mit der Spulenanordnung 148 über die Sammelschiene 181 und die Schnellwechselvorrichtung 180 verbunden. Durch Vorsehen einer zweiten Induktionsspulenanordnung 148a mit all den damit zusammenarbeitenden Strukturen und Antriebssystemen an jeder Arbeitsstation können zwei Zapfen gleichzeitig induktionsgehärtet werden. Um die Wärme zu verteilen, werden die Zapfen 27a und 27c (1. und 3. Zapfen) während des ersten Zyklus induktionsgehärtet. Danach werden die Zapfen 27b und 27d (2. und 4. Zapfen) während des zweiten Zyklus induktionsgehärtet. Durch Verdoppeln der Anzahl der Induktionsspulenanordnungen kann die Induktionshärtungszykluszeit für die Zapfen der Kurbelwelle halbiert werden. Dies kann durch Variieren der Energie während des Zyklus bewirkt werden. Falls die Geschwindigkeit variiert wird, dann müssen die Gegengewichte zeitlich auf die Positionen beider Spulen eingestellt werden. Dies ist nicht bei allen Kurbelwellen möglich.
Zusätzliche Komponenten und Systeme, die in 2A und 3A gezeigt sind und die ihre Gegenstücke in 1, 2, 3, 4, 5 und 6 haben, umfassen die Mensch-/Maschine-Schnittstelle 175, die Induktionsspulenanordnungen 163 und 163a, die Türen 135, das Gehäuse 173, den Transformator 172, das Transformatorgehäuse 172a und das Gehäuse 134.
In Abhängigkeit von der spezifischen Kurbelwellenkonstruktion und den verschiedenen Zykluszeiten kann die Verwendung von mehreren Spulenanordnungen an jeder Arbeitsstation und die Verwendung mehrerer Arbeitsstationen für einige Kurbelwellenkonstruktionen vorteilhafter als für andere sein. Die Planung der Konstruktion jeder Vorrichtung, einschließlich der Anzahl der Arbeitsstationen und der Konstruktion jeder Arbeitsstation sollte unter Berücksichtigung des Typs von Kurbelwellen durchgeführt werden, die zu bearbeiten sind, so daß der Zyklusbetrieb der Bearbeitung der Kurbelwellen von Vorrichtung zu Vorrichtung effizient und kostengünstig ist.
Ein weiterer Faktor, der zu berücksichtigen ist, sind die beizubehaltenden Toleranzen. Falls eine Vielzahl von Lagerflächen gleichzeitig induktionsgehärtet wird, könnte es eine geringfügige Verbiegung geben, die einen anschließenden Schleifvorgang erfordert. Wenn nur ein Zapfen gleichzeitig induktionsgehärtet wird, gibt es kein Verbiegungsproblem. Aus diesem Grund möchte man vielleicht das Induktionshärten aller Lagerflächen beenden und die Kurbelwelle zurück in die Toleranzgrenzen bringen, bevor mit dem Induktionshärten der Kurbelwellenzapfen begonnen wird.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1, 2, 3, 4, 5 und 6 sind einige der Standardsystemkomponenten, die mit jeder Vorrichtung verbunden sind, gezeigt. Die Induktionhärtungsvorrichtung 20 umfaßt für die erste Arbeitsstation 33 eine induktive Energieversorgung 67 300 kW/10 kHz und eine Verbundpräzisionshorizontalgleitschiene 68, die die X-Y-Antriebssysteme 51 bzw. 49 bildet. Duplizierte Vorrichtungen werden für die zweite Arbeitsstation 36, einschließlich der induktiven Energieversorgung und der Horizontalgleitschiene 70, vorgesehen. Die Gleitschiene 70 bildet die X- und Y-Antriebssysteme 61 und 62. Jede Arbeitsstation 33 und 36 umfaßt auch einen Wärmestationstransformator 72 und ein Transformatorgehäuse 72a. Gehäuse 34 und 73 sind vorgesehen, um die Kurbelwellen und Spulen an jeder Arbeitsstation zu umgeben. Die Vorrichtung 20 umfaßt bestimmte Komponenten und Systeme, die beide Arbeitsstationen miteinander verbinden, einschließlich der Mensch-/Maschine-Schnittstelle 75, verschiedenen pneumatischen Vorrichtungen und Steuerungen 76, einem Hauptsteuergehäuse 77, einem Positioniersteuergehäuse 77a und einem Fluidsystem 78. Auch enthalten sind ein Abschreckfilter 79, eine Schnellwechselvorrichtung 80 für jede Spulenanordnung und eine Sammelschiene 81. Das Hauptsteuergehäuse 77 umfaßt die Computer- und PLC-Steuerungen, die Logikschaltung, die Ablaufsteuerungen, die Unterbrecher und die Eingabe-/Ausgabeschaltungen für die Vorrichtungen. Das Gehäuse 77a umfaßt die Schaltung für die Positioniersteuervorrichtungen.
Unter besonderer Bezugnahme auf 2 ist ein 800 Gallonen fassender Abschreckwassertank 82 mit zwei 15 PS Abschreckpumpen 83 und 84 strömungsverbunden. Die Pumpe 83 ist mittels einer Strömungsleitung mit der ersten Arbeitsstation 33 verbunden, während die Pumpe 84 mit der zweiten Arbeitsstation 36 verbunden ist. Rückführleitungen 85 und 86 führen das Abschreckwasser, das an jeder Arbeitsstation verwendet und zurück in den Abschreckwassertank 82 gesammelt wird, zurück. Der Tank 87 für destilliertes Wasser enthält einen Vorrat an destilliertem Wasser zum Kühlen der elektrischen Komponenten. Die Pumpe 88 wird verwendet, um destilliertes Wasser von dem Tank 87 zuzuführen. Die Pumpe 89 ist eine Umlaufpumpe, die nur Kühlungszwecken dient. Jede Induktionsspulenanordnung 48 und 63 ist bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Reihe von Strömungsöffnungen gestaltet, die um ihre Innenfläche herum zum schnellen Zuführen von Abschreckwasser zu den induktiv erwärmten Bereichen der Kurbelwelle angeordnet sind, gleichgültig ob diese Bereiche einen Zapfen oder eine Lagerfläche umfassen (siehe 6A). Durch Gestalten der Spulenanordnungen mit einer Abschreckfähigkeit, muß die Induktionsspulenanordnung nicht bewegt werden und weder muß die Kurbelwelle an einer Abschreckstation positioniert werden noch muß ein separates Abschrecksystem in seine Position bewegt werden. Das Kombinieren der induktiven Erwärmungs- und Abschreckhärtungsschritte in einer einzigen Spulenanordnung ist eine Option zum Verkörpern der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich wird die Verwendung eines separaten Abschrecksystems als sehr machbarer Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgrund der Verfügbarkeit einer ausgezeichneten Abschrecksystemtechnologie ins Auge gefaßt. Die Verwendung eines separaten Abschrecksystems ist günstig, wenn die Spulenanordnungskonstruktion vereinfacht werden soll oder wenn der Wunsch besteht, die Zykluszeit zu verkürzen.
Wie beschrieben wurde, wird die Abschreckfähigkeit oder -funktion in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Strömungslöcher durchgeführt, die direkt in die Induktionsspulenanordnung eingearbeitet sind. Diese Strömungslöcher sind mit Strömungsleitungen verbunden, die mit der entsprechenden Abschreckpumpe verbunden sind, siehe 2. Bei der alternativen Ausführungsform sind, wenn ein separater Abschreckmechanismus verwendet wird, die gleichen Strömungsleitungen mit dem Abschreckmechanismus verbunden.
Der tatsächliche Abschreckschritt wird vorzugsweise in Stufen durchgeführt. Die erste Stufe findet statt, während die Kurbelwelle sich immer noch dreht, unmittelbar nachdem der Zapfen oder die Lagerfläche auf die gewünschte Temperatur angehoben worden ist. Wenn ein sekundäres oder ergänzendes Abschrecken durchgeführt wird, findet dies in einer anderen Z-Achsenposition statt und erfordert ein vertikales Verschieben der Kurbelwelle. Während das ergänzende Abschrecken durchgeführt wird, kann der nächste Zapfen mit Bezug auf die Induktionsspulenanordnung zum Bearbeiten positioniert werden. Dieses Verdoppeln von unterschiedlichen Funktionen hilft dabei, die Gesamtzykluszeit für die Kurbelwelle zu verkürzen.
Die Systemgestaltung von 2 für die Vorrichtung 20 wird praktisch durch die Systemgestaltung für die Vorrichtung 30, wie in 9 gezeigt, dupliziert. Dementsprechend wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um Komponenten und/oder Untersysteme zu identifizieren, die in den Vorrichtungen 20 und 30 praktisch identisch sind. Der Hauptunterschied zwischen den Vorrichtungen 20 und 30 liegt in den X- und Y-Antriebssystemen aufgrund des Induktionshärtens von Zapfen mittels der Vorrichtung 20 und des Induktionshärtens von Lagerflächen mittels der Vorrichtung 30.
Mit einer einzigen Spulenanordnung an jeder Arbeitsstation folgen die Schritte des induktiven Erwärmens und des Abschreckhärtens aufeinander bearbeitet wird, wobei ein Zapfen oder eine Gruppe von Lagerflächen gleichzeitig. Wenn die Kurbelwelle vertikal zwischen Zentrierspitzen an der erste Arbeitsstation 33 abgestützt ist, wird die Induktionsspulenanordnung 48 in ihre Position bewegt, und wenn sich die Kurbelwelle dreht, verfolgt die Spulenanordnung 48 im allgemeinen die Bahn des ausgewählten Zapfens mit der gleichen Geschwindigkeit und härtet den Zapfen induktiv. Dieser Erwärmungsschritt dauert etwa 10 bis 20 Sekunden. Wenn der Zapfen der Kurbelwelle auf die gewünschte Temperatur erwärmt worden ist, muß der Abschreckschritt durchgeführt werden. Dies wird bei einer Ausführungsform durch einen Schwall des Abschreckwassers durch die Spulenanordnung und direkt auf den Zapfen, der erwärmt worden ist, bewirkt (siehe 6A). Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Spulenanordnung außer Eingriff gebracht und die Kurbelwelle dreht sich weiter, während eine separate Abschreckstation betrieben wird. Die Kurbelwelle dreht sich weiter, während der Abschreckschritt ungeachtet der Ausführungsform durchgeführt wird. Wenn das Induktionshärten dieses ersten Zapfens beendet ist, wird die Kurbelwelle vertikal weiter bewegt, während die Spulenanordnung ortsfest bleibt, um den nächsten Zapfen der Kurbelwelle zu positionieren. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis alle Zapfen der Kurbelwelle induktiv erwärmt und abschreckgehärtet worden sind. Die Antriebssysteme für die Spulenanordnung werden programmiert, damit sie erkennen, welcher Zapfen ausgewählt wird, und die X- und Y-Antriebssysteme werden programmiert, um eine vorgewählte Bahn für diesen bestimmten Zapfen zu verfolgen. Da verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sind, muß bestimmt werden, ob irgendeine Gegengewichtseinstellung erwünscht ist, und falls dies der Fall ist, welche Art der Einstellung vorgenommen wird. Die X- und Y-Bewegung der Spulenanordnung ist immer noch die gleiche für jeden Zapfen, wenn die Startposition bestimmt ist. Jeder Zapfen besitzt eine unterschiedliche Umfangposition mit Bezug auf die Drehposition der Kurbelwelle und so variiert die Startposition für die Spulenanordnung in Abhängigkeit von dem ausgewählten Zapfen.
Die Induktionsspulenanordnung 48 an der ersten Arbeitsstation 33 wird anfänglich mit Bezug auf den ausgewählten Zapfen vor der Drehung der Kurbelwelle positioniert. Dementsprechend benötigt der X-Y-Zwangsbewegungsweg der Zapfenbahn für die Spulenanordnung eine Zwangsbewegungsgeschwindigkeit, die mit der Geschwindigkeit der Kurbelwelle synchronisiert ist. Die Geschwindigkeit und die Bahn der Spulenanordnung sind kritisch und müssen der Geschwindigkeit der Kurbelwelle und der Bahn des Zapfens genau entsprechen. Selbst wenn der Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Zapfen variiert, gibt es noch eine spezifische Zwangsverfolgungsbahn, die bei jedem Zyklus verfolgt wird. Dies ist aufgrund der koaxialen Natur ihrer Bahn kein Problem für die Lagerflächen.
Wie erklärt wurde, kann das Induktionshärten der Kurbelwellenzapfen vor dem Induktionshärten der Lagerflächen oder nach dem Induktionshärten der Lagerflächen beendet werden. Die Zapfen und die Lagerflächen können an zwei unterschiedlichen Arbeitsstationen als Teil einer Vorrichtung oder mittels zweier separater Vorrichtungen bearbeitet werden, von denen eine für die Zapfen bestimmt ist und die andere für die Lagerflächen bestimmt ist.
Wie in 5 und 6 gezeigt, umfaßt eine typische Spulenanordnung ein Erwärmungselement aus Kupfer (Induktor) 93, einen inneren Kühlmantel 94, einen Feldfokussierungsbereich 95 aus in Kunststoffmaterial suspendiertem Eisen, einen Isolierungsabstandshalter 96 und einen Positionierungsblock 97. Der Feld fokussierungsbereich wird verwendet, um das magnetische Flußfeld zu manipulieren. Wenn die Abschreckfähigkeit in die Spulenanordnung eingebaut ist, ist die Innenfläche 57 mit einer Vielzahl von Löchern in einem kompakten und gleichmäßigen Muster, wie in 6A gezeigt, versehen. Wenn die Abschreckfunktion mittels eines separaten Abschreckmechanismus durchgeführt wird, befindet sich der Abschreckmechanismus zwischen den Enden der Kurbelwelle auf einem Positioniermechanismus (nicht gezeigt), wie dies im Stand der Technik wohlbekannt ist.
Die Programmierlogik für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachstehend erörtert wird, soll auf das Induktionshärten der Zapfen der Kurbelwelle und nicht auf dasjenige der Lagerflächen anwendbar sein. Dies ist auf den Typ der Drehungsbahn zurückzuführen, den die Zapfen mit Bezug auf die Längsachse der Kurbelwelle aufweisen im Gegensatz zu der konzentrischen oder koaxialen Position der Lagerflächen mit Bezug auf die Kurbelwellenachse. Der erste Datenposten, der vorzusehen ist, ist die Eingriffsposition für sowohl die X- als auch die Y-Antriebssysteme, so daß die entsprechende Induktionsspulenanordnung mit Bezug auf den entsprechenden Zapfen ordnungsgemäß positioniert ist, der induktiv erwärmt und abschreckgehärtet werden soll. Die zusätzlichen Daten, die in die Computersteuerung oder die Logikschaltung programmiert werden, werden aus den bestimmten Kurbelwellenspezifikationen abgeleitet. Diese Daten umfassen die Größe, die Gestalt und die Geometrie der Kurbelwelle, einschließlich der Zapfen und jeglicher Gegengewichte. Die erforderlichen Daten werden über eine Tastatur (manuelle Eingabe) eingegeben. Wenn die Spezifikationsdaten der grundlegenden Teile eingegeben worden sind, werden diese nicht geändert und sie bleiben die gleichen ungeachtet der Tatsache, welcher Zapfen der Kurbelwelle induktiv erwärmt und abschreckgehärtet wird. Es ist zu beachten, daß sich die Eingriffsposition in Abhängigkeit von der Tatsache ändern oder nicht ändern kann, wie gut die bestimmte Kurbelwelle mit Bezug auf ihre Konstruktionsabmessungen und -toleranzen hergestellt worden ist. Zusätzliche Daten oder Infor mationen, die die Bedienungsperson in die Programmierlogik über die Tastatur eingeben kann, umfassen die Toleranzen pro Zapfen, die Anzahl der Drehungen, die Drehungszeit, die Erwärmungszeit, die Drehungsgeschwindigkeit und die Energieversorgungsabgabe. Die Drehungsgeschwindigkeit in UpM während des Erwärmens ist gegenwärtig so eingestellt, daß es zwei UpMs gibt, eine pro Hemisphere. In einer Hemisphere dreht sich die Welle mit 30 UpM und in einer anderen dreht sie sich mit 50 UpM. Dies könnte in Viertel oder noch kleinere Abschnitte unterteilt werden. Es ist ersichtlich, daß die Drehgeschwindigkeit in kleinere Inkremente aufgeteilt werden kann, was eine allmähliche Beschleunigung und/oder allmähliche Verlangsamung, wie hier beschrieben, gestattet. Es ist auch ersichtlich, daß die vorliegende Vorrichtung vorprogrammiert werden muß, um entweder eine kreisförmige Bahn oder eine elliptische Bahn in Abhängigkeit davon zu verfolgen, wo die Wärme von der Induktionsspulenanordnung konzentriert werden soll.
Wie ersichtlich ist, verfolgt das X-Achsenantriebssystem, wenn eine kreisförmige Bahn von der Induktionsspulenanordnung verfolgt wird, eine Kosinuswellenform und das Y-Achsenantriebssystem verfolgt eine Sinuswellenform.
In Anbetracht der Verwendung der Vorrichtung 20 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beginnt das Verfahren damit, daß der Roboter und/oder die Bedienungsperson die Kurbelwelle auf die untere Zentrierspitzenabstützung legt und sie dann am oberen Ende einklemmt oder einspannt, um den Zyklus zu beginnen. Die X- und Y-Richtungen sind horizontal und, wie beschrieben, sind diese beiden Antriebssysteme miteinander unter 90° verbunden. Die Drehbewegung, die als Theta (τ) bezeichnet wird, bildet die Bewegung der Antriebsspindel/-Kurbelwelle. Die Z-Achse verläuft in der vertikalen Richtung und stellt die Positionierachse für die Induktionsspulenanordnungen und die Kurbelwelle in der vertikalen Richtung dar.
Der erste Schritt umfaßt die Bewegung in der Richtung der Z-Achse, indem sich die Kurbelwelle in eine Position bewegt, in der der Zapfen, der zum Induktionserwärmen ausgewählt ist, in eine "bekannte" Position verbracht wird, die als 0°-Theta (τ) bezeichnet ist. Wenn der Zapfen der Kurbelwelle zu der gewünschten vertikalen Position bewegt wird, wird die Kurbelwelle gedreht, bis die Theta- (τ) Ablesung 0° auf der Grundlage der Eingabe von einem Photosensorschalter beträgt. Wenn die Theta- (τ) Position von 0° bestimmt ist, bewegt das System die Kurbelwelle entlang der Z-Achse (vertikal) nach unten in die Spulenposition, die die Position ist, die diesen bestimmten Zapfen induktiv erwärmen wird. Wenn Positionen der Z-Achse und von Theta (τ) ordnungsgemäß eingestellt sind, dann wird das X-Achsenantriebssystem in Eingriff gebracht, um die Induktionsspulenanordnung in ihren Eingriffspunkt zu bewegen, der sich mit dem entsprechenden Zapfen der Kurbelwelle auf einer Linie befindet. Als nächstes kommt das Y-Achsenantriebssystem in Eingriff, um die Induktionsspulenanordnung in die Kurbelwelle zu bewegen. Wie durch die entsprechenden Zeichnungen dargestellt ist, wenn man direkt auf die Vorderseite der Maschine blickt (siehe 3), verläuft die X-Achsenrichtung links und rechts und die Y-Achsenrichtung verläuft in die und aus der Maschine. Dementsprechend beginnt das System, wenn die X- und Y-Positionen festgelegt sind und die Kurbelwelle an der 0°-Theta- (τ) Position sitzt, sich zu drehen (in der Theta- (τ) Richtung) in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Nachdem die Drehbewegung in der Theta- (τ) Richtung beginnt, folgen die X- und Y-Antriebssysteme und verfolgen die bestimmte Bahn für diesen Zapfen, wobei sie eine entsprechende Bahn entgegen dem Uhrzeigersinn verfolgen. Während eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn gewählt wurde, ist ersichtlich, daß die Theta- (τ) Richtung entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufen kann.
Es ist auch ersichtlich, daß es eine Ausklinkposition gibt, die die Position von Theta (τ) in Grad ist, wo es möglich ist, die X- und Y-Antriebssysteme sicher auszuklinken und die Induk tionsspulenanordnung aus ihrer Beziehung mit der Kurbelwelle herauszuholen ohne die Maschine zu "zerstören". Wenn sich die Kurbelwelle in einer Richtung entgegen dem Uhrzeiger, einer Theta- (τ) Richtung, dreht, bewegt sie sich von einer 0°-Positionsablesung rund herum bis zu einer 360°-Position. Gegenwärtig ist die Ausklinkposition bei etwa 240° programmiert. Was tatsächlich stattfindet ist, daß die Induktionsspulenanordnung sich außer Eingriff dreht ähnlich wie sich Zahnräder aus einer kämmenden Beziehung miteinander herausbewegen. Diese besondere Ausklinkposition basiert auf den Teilespezifikationen, und somit kann sich der Ausklinkpunkt auch ändern, wenn sich die Teile ändern. Die Ausklinkposition befindet sich jedoch im allgemeinen im dritten Quadranten der kreisförmigen Bahn des entsprechenden Kurbelwellenzapfens.
Wenn der Induktionserwärmungszyklus beendet ist, zeigt die Steuervorrichtung, die in diesem Fall eine Allen Bradley Slick 500 ist, tatsächlich an, daß die Erwärmungsphase beendet ist. An diesem Punkt steuern die X- und Y-Antriebe das Ausklinken der Induktionserwärmungsspule, die gegenwärtig bei 240° Theta (τ) ist. Beim Durchführen des Ausklinkens wird die X-Achsenrichtung der Bewegung anfänglich aktiviert, um die Spule aus ihrer Erwärmungsposition herauszuführen. Die X-Achse bleibt tatsächlich in Eingriff, um dem Teil zu folgen, so daß es nicht auf den Seiten der Spule auftrifft. Wenn die Y-Bewegung etwa 3 Zoll außerhalb der programmierten Achse kommt, ist es möglich, das X-Achsenantriebssystem auszuklinken und dadurch die Bewegung von X zu stoppen. An diesem Punkt kehren die X- und Y-Antriebssysteme in die Ausgangsstellung oder Ladestellung für den nächsten Zapfen zurück. Es ist ersichtlich, daß die Spulenanordnung von der Kurbelwelle ausgeklinkt wird, während sich die Kurbelwelle weiter dreht. Dieses besondere Ausklinkprotokoll gestattet es, daß sich die Kurbelwelle während des Abschreckzyklus dreht, während die Spule ausgeklinkt ist. Dieses besondere Protokoll gestattet kürzere Zykluszeiten und ein gleichmäßiges Abschrecken. Tatsächlich können die Spule ausgeklinkt und die Kurbelwelle in der Z-Achsenrichtung abgesenkt werden und ein zusätzliches Abschrecken kann an dem Punkt fortgesetzt werden, während der nächste Zapfen der Kurbelwelle zum Induktionshärten positioniert wird. Dies gestattet es, daß der nächste Zapfen in die Bereitstellungsposition verbracht wird, während der Abschreckzyklus für den vorherigen Zapfen fortgesetzt wird. Wie angegeben gestattet dies kürzere Zykluszeiten, während es das gleichmäßige Abschrecken nicht nachteilig beeinflußt.
Eine Vielzahl von Vorrichtungskonstruktionen und -gestaltungen wurde mit Bezug auf 1 bis 17 gezeigt und beschrieben. In jedem Fall ist die gewählte Darstellung für die Induktionsspulenanordnung diejenige, die am besten als 90°-Spule aufgrund der Tatsache beschrieben werden kann, daß es zwei verbundene 90°-Bahnen oder -Felder gibt. Bei der Konstruktion dieses Stils der Spule für die Induktionsspulenanordnung, tritt der Stromfluß durch die tatsächliche Spule ein und tritt über den Verbindungsabstützarm aus, der zentral verbunden ist. Es gibt einen eintretenden und austretenden 90°-Stromweg an einer Seite des Abstützarms und einen verbundenen 90°-Stromweg an der gegenüberliegenden Seite des Abstützarms. Unter Bezugnahme auf 18, 18A und 19 ist eine 90°-Spulenanordnung 300 gezeigt. Die Spulenanordnung 300 umfaßt die Spule 300a und den Abstützarm 300b. Der Abstützarm 300b ist mit einem Stromeingangsbereich 301 und einem Stromausgangsbereich 301a konstruiert. Diese beiden Bereiche sind voneinander elektrisch isoliert und sind tatsächlich voneinander mit Bezug auf die Enden, die mit der Spule 300a verbunden sind, von oben nach unten versetzt. Die Bereiche 302 eines elektrischen Isoliermaterials sind um die Bereiche 303 des Leitermaterials aus Kupfer herum und zwischen diesen schichtartig angeordnet. Der eintretende Strom von dem verbundenen Transformator fließt über den Bereich 301 zur Spule 300a. Dann fließt der Strom unter etwa 90° um die freigelegte Oberfläche 304 der Spule 300a vom Punkt A zum oberen Teil des Bereichs 303a. Der Rückkehrweg verläuft von dem unteren Teil des Bereichs 303a zurück zum Punkt B. Der Rückkehrweg beträgt auch etwa 90°. Dieser 90°-Weg ist die Basis für das Beschreiben der Spulenanordnung 300 als 90°-Spule.
Wie hier verwendet, beziehen sich Bezeichnungen wie "90°-Spule", "90°-Induktionsspule" und "90°-Spulenkonstruktion" jeweils auf eine Induktionsspule, die eine im allgemeinen halbzylindrische Öffnung und einen Abstützarm aufweist, der den Strom zu der und von der Spule weg führt. Der Abstützarm ist mit Bezug auf die halbzylindrische Öffnung derart positioniert, daß er wirksam zentriert ist, und auf diese Weise erstreckt sich ein etwa 90°-Bereich der Spulenöffnungen weg von einer Seite des Abstützarms in einer ersten Richtung und ein weiterer etwa 90°-Bereich der Spulenöffnung erstreckt sich weg von der anderen (entgegengesetzten) Seite des Abstützarms in einer zweiten Richtung. Diese Konstruktion ist klar in 18 gezeigt, und die "90°-Bezugnahme" bezieht sich auf die gegenwärtige Bewegung von dem Abstützarm zu einem Ende oder Rand der halbzylindrischen Öffnung.
Die Bereiche 303b und 303c sind durch den Bereich 302a des elektrischen Isoliermaterials isoliert. Der Bereich 303d, der den Punkt B umfaßt, ist auf der Mittellinie des Abstützarms 300b und auf der Mittellinie der Spule 300a zentriert. Die Mittellinie des Abstützarms 300b fällt auch mit der Mittellinie des Isolierstreifens 305 zusammen, der zwischen dem Bereich 301 und dem Bereich 301a positioniert ist.
Der Stil der Spulenanordnung 300, wie in 18, 18A und 19 gezeigt, ist zur Verwendung bei den gezeigten Ausführungsformen von 1 bis 17 und für das Induktionshärten der Werkstücke geeignet, die durch diese gezeigten Ausführungsformen bearbeitet werden. Es wurde jedoch erfahren, daß ein alternativer Stil der Spulenanordnung (180°) für das Induktionshärten von ausgewählten Bereichen von bestimmten Werkstücken, wie Kurbelwellen bevorzugt wird.
Der alternative Stil (d.h. "versetzt") der Spulenanordnung 310 ist in 20, 21 und 22 gezeigt. Die 180°-Beschreibung und die Bezugnahme auf den "versetzten" Stil für die Spulenanordnung 310 entspringt der Tatsache, daß der verbindende Abstützarm 311 entlang einer Seite der tatsächlichen Spule 310a derart positioniert ist, daß der Stromfluß sich unter einem 180°-Weg über die obere Oberfläche 312 der Spule 310a bewegt, bevor er sich an der vorderen Oberfläche 313 nach unten bewegt und unter 180° über die untere Oberfläche 314 zurück zum Abstützarm 311 fließt. Der Stromflußweg für die Spulenanordnung 310 ist durch die Pfeile 315 angegeben. Es ist ersichtlich, daß von dem 90°-Spulenstil und dem 180°-Spulenstil der 90°-Spulenanordnungsstil näher am Stand der Technik oder dem Industriestandard ist. Dementsprechend ist ersichtlich, daß der 180°-Versetzungsstil der Spulenanordnung 310, wie hier beschrieben, eine einzigartige und neue Konstruktion und ein Verlassen des Industriestandards ist. Die Bezugnahme auf "versetzt" beim Beschreiben der Spule 310a entspringt der Abstützarmposition, die vom Mittelpunkt versetzt ist. Die Konstruktionseinzelheiten der Spulenanordnung 310, einschließlich der Spule 310a und des Abstützarms 311, sind in 20, 21 und 22 gezeigt und nachstehend beschrieben. Einige der grundlegenden Konstruktionsdetails der Spulenanordnung 310 befolgen die wohlbekannten Konstruktionsprinzipien für Induktionshärtungsspulen. Der Schwerpunkt der Einzigartigkeit und Neuheit der Spulenanordnung 310 liegt auf der spezifischen Gestaltung der Spule 310a und wichtigerweise auf dem entsprechenden Stromflußweg, einschließlich der 180°-Bewegung um die Spule herum, wie beschrieben wurde.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 20, 21 und 22 ist der Abstützarm 311 mit zwei leitfähigen Bereichen 318 und 319 (einer positiv, einer negativ) gestaltet, die getrennt und durch eine Isolierplatte 320 elektrisch isoliert (und getrennt) sind.
Der Stromfluß durch den Bereich 303d verläuft von dem unteren Punkt B zum oberen Punkt C. Am Punkt C beginnt der nächste (zweite) 90°-Stromweg. Dieser Stromweg verläuft vom Punkt C durch den Bereich 303e zum Bereich 303f entlang der freigelegten Oberfläche 304. An diesem Punkt bewegt sich der Stromweg hinunter durch den Bereich 303f zum Bereich 303g. Der Ausgang vom Bereich 303g führt zurück zu dem Stromausgangsbereich 301a des Abstützarms 300b.
Die Konstruktion der Spulenanordnung 300, wie in 18, 18A und 19, gezeigt, kann eine Wasserabschreckfähigkeit enthalten, indem Abschrecköffnungen in der Oberfläche 304 der Spule 300 vorgesehen sind, wie dies in 6A gezeigt ist. Mit diesen Abschrecköffnungen stehen damit zusammenarbeitende Kanäle in Verbindung, die im Inneren der Spule 300a ausgebildet sind. Diese Abschrecköffnungen sind in 19 einfach aus Gründen der zeichnerischen Klarheit nicht gezeigt, um die leitfähigen und nichtleitfähigen Bereiche und die entsprechenden Stromwege klar zeigen zu können.
Der Stil der Spulenanordnung 300, wie in 18, 18A und 19 gezeigt, ist zur Verwendung bei den gezeigten Ausführungsformen von 1 bis 17 und für das Induktionshärten der Werkstücke geeignet, die durch diese gezeigten Ausführungsformen bearbeitet werden. Es wurde jedoch erfahren, daß ein alternativer Stil der Spulenanordnung (180°) für das Induktionshärten von ausgewählten Bereichen von bestimmten Werkstücken, wie Kurbelwellen, bevorzugt ist.
Der alternative Stil (d.h. "versetzt") der Spulenanordnung 310 ist in 20, 21 und 22 gezeigt. Die 180°-Beschreibung und die Bezugnahme auf den "versetzten" Stil für die Spulenanordnung 310 entspringt der Tatsache, daß der Verbindungsabstützarm 311 entlang einer Seite der tatsächlichen Spule 310a derart positioniert ist, daß der Stromfluß in einem etwa 180°-Weg über die obere Oberfläche 312 der Spule 310a fließt, bevor er die vordere Oberfläche 313 herunter fließt und 180° über die untere Oberfläche 314 zurück zum Abstützarm 311 fließt. Der Stromflußweg für die Spulenanordnung 310 ist durch Pfeile 315 gezeigt.
Es ist ersichtlich, daß von dem 90°-Spulenstil und dem 180°-Spulenstil der 90°Spulenanordnungsstil dem Stand der Technik oder dem Industriestandard näher ist. Dementsprechend ist ersichtlich, daß der um 180° versetzte Stil der Spulenanordnung 310, wie hier beschrieben, eine einzigartige und neue Konstruktion ist, die den Industriestandard verläßt. Die Bezugnahme auf "versetzt" beim Beschreiben der Spule 310 entspringt der Abstützarmposition, die vom Mittelpunkt versetzt ist. Die Konstruktionseinzelheiten der Spulenanordnung 310, einschließlich der Spule 310a und des Abstützarms 311, sind in 20, 21 und 22 gezeigt und nachstehend beschrieben. Einige der grundlegenden Konstruktionsdetails der Spulenanordnung 310 befolgen die wohlbekannten Konstruktionsprinzipien für Induktionshärtungsspulen. Der Schwerpunkt der Einzigartigkeit und Neuheit der Spulenanordnung 310 liegt auf der spezifischen Gestaltung der Spule 310a und wichtigerweise auf dem entsprechenden Stromflußweg, einschließlich der 180°-Bewegung um die Spule herum, wie beschrieben wurde.
Wie hier verwendet beziehen sich Bezeichnungen wie "um 180° versetzte Spule", "um 180° versetzte Induktionsspule" und "um 180° versetzter Spulenstil" jeweils auf eine Induktionsspule, die eine im allgemeinen halbzylindrische Öffnung und einen Abstützarm aufweist, der den Strom zu und von der Spule weg führt. Der Abstützarm ist mit der Spule entlang einer Seite der Spule derart verbunden, daß die gesamten etwa 180° der halbzylindrischen Spulenöffnung sich von dem Abstützarm weg erstrecken. Auf diese Weise fließt Strom, der mittels des Abstützarms der Spule zugeführt und von dieser weggeführt wird, von dem Abstützarm zum entgegengesetzten Ende der Spule, etwa 180°, und kehrt dann zum Abstützarm zurück. Dieser Stil der Induktionsspule wird als "versetzt" beschrieben, da der Abstützarm mit Bezug auf die Spule nicht zentriert, sondern tatsächlich zu einer Seite der gesamten Spule versetzt ist. Diese Konstruktion ist klar in 20 gezeigt.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 20, 21 und 22 ist der Abstützarm 311 mit zwei leitfähigen Bereichen 318 und 319 (einer positiv, einer negativ) gestaltet, die getrennt und durch eine Isolierplatte 320 elektrisch isoliert (und getrennt) sind. Der Verbindungsblock 321 ist dazu bestimmt, mit einer elektrischen Sammelschiene (nicht gezeigt) mechanisch und elektrisch verbunden zu werden, die mit einem Transformator (nicht gezeigt) arbeitstechnisch verbunden ist. Der Block 321 ist mit jedem der zwei leitfähigen Bereiche 318 und 319 mechanisch und elektrisch verbunden. Der Erwärmungsstrom fließt von dem Transformator über einen leitfähigen Bereich 318 herein und fließt über den anderen leitfähigen Bereich 319 zurück zu dem Transformator. Innerhalb des Blocks 321 sind zwei Wasserkanäle 324 und 325 angeordnet, und jeder leitfähige Bereich umfaßt einen entsprechenden Verbindungskanal 326 und 327. Der Kanal 326 steht im Bereich 318 in Strömungsverbindung mit dem Kanal 324. Der Kanal 327 steht im Bereich 319 in Strömungsverbindung mit dem Kanal 325.
Mit Gewinde versehene Befestigungselemente 328 werden verwendet, um beim Verbinden der beiden leitfähigen Bereiche 318 und 319 und beim mechanischen sandwichartigen Anordnen und Befestigen der Isolierplatte 320 zwischen den beiden leitfähigen Bereichen zu helfen. Das Ende 329 des Abstützarms 311 (d.h. dem Zusammenbau der beiden leitfähigen Bereiche 318, 319 in Kombination mit der Isolierplatte 320) wird mit einer Seite 330 der 180°-Spule 310a verbunden. Der Isolator 331 begrenzt die elektrische Verbindung des Abstützarms 311 mit der Spule 310a an dem lokalisierten Bereich des Endes 329. Der Block 332 wird als Strebe verwendet, um die Verbindung des Abstützarms 311 mit der Spule 310a zu sichern und zu verstärken. Mit Gewinde versehene Befestigungselemente 333 werden verwendet, um den Block 332 an der hinteren Oberfläche 336 der Spule 310a und an der Längsseite 337 des Bereichs 319 zu befestigen.
Der eintretende Stromfluß fließt über den Bereich 318, fließt am Ende 329 um die Ecke und fließt etwa 180° über die obere Oberfläche der Spule 310a. Der Stromflußweg folgt dann der vorderen Oberfläche 313 und fließt zur unteren Oberfläche 314. An diesem Punkt fließt der Strom 180° zurück, um die Spule 310a herum zum Bereich 319 und von dort entlang der Unterseite des Bereichs 319 zurück zum Block 321. Die Erwärmungsdymamik dieses Stromflußwegs für die um 180° versetzte Spulenanordnung 310 führt dem oberen Rand und dann dem unteren Rand und zuletzt dem mittleren Bereich Energie zu. Der Stromweg über die obere Oberfläche 312 verläuft in der Form eines Halbkreises von mindestens 180°. Die Krümmung des Wegs fällt mit der gekrümmten und zylindrischen Geometrie der inneren Fläche 310b der Spule 310a zusammen. Die innere Fläche 310b erstreckt sich über mindestens 180°C und stellt die Oberfläche dar, die dem Bereich des Werksstücks, das induktionsgehärtet werden soll, benachbart ist.
Was durch einen Vergleich der Erwärmungsmuster und Wärmebehandlungsergebnisse zwischen der 180°-Spulenanordnung und der 90°-Spulenanordnung erfahren wurde ist, daß die 90°-Spulenanordnung eine Erwärmungsdynamik erzeugt, die im Mittelpunktbereich des Werkstücks, insbesondere dem ausgewählten Bereich des Werkstücks, wie eines Zapfens einer Kurbelwelle beginnt, bevor sie die benachbarten oder außenliegenden Ecken erreicht. In gewissen Situationen, in denen ein Wärmebehandeln der Eckbereiche gewünscht ist, wird der mittlere Bereich zu heiß, bevor die Wärme allmählich die Ecken erreicht. Diese Ursache-Wirkung dieser Situation ist auf den 90°-Stromweg und auf die Tatsache zurückzuführen, daß nur ein Viertel des Zapfens zu irgendeinem Zeitpunkt (in irgendeiner Position) erwärmt wird und die Wärmemenge für die fixierte Masse weniger ist. Im Gegensatz hierzu weist die 180°-Spule 310a einen Stromweg auf, der beginnt, die Eckenbereiche zuerst zu erwärmen und dann zu dem mittleren Bereich wandert. Es muß festgestellt werden, daß bei der Konstruktion der Zapfen und Hauptlager einer Kurbelwelle, die hier erörterten Innenecken Stellen von größerer Masse im Vergleich zu dem tatsächlichen Zapfen oder Hauptlager sind. Durch Erwärmen der inneren Masse zuerst, kann sich die Wärme aufbauen ohne den Bereich geringerer Masse zu überhitzen.
In 23, 24 und 25 sind die Ergebnisse des Erwärmungsmusters (der Wärmebehandlung) für unterschiedliche Komponentenbereiche schematisch für die 90°-Spulenanordnung 300 und für die 180°-Spulenanordnung 310 gezeigt. Die Erwärmungsmuster von 23 sind für ein äußeres Hauptlager 338 gedacht, und die äußeren Ränder oder Ecken 339, 340 stellen keine kritischen Bereiche aus der Perspektive der größeren Härte- und Festigkeitserfordernisse dar. Dementsprechend können beide Stile der Spulenanordnung 300 oder 310 für ein äußeres Hauptlager verwendet werden.
Wenn die inneren Hauptlager oder Zapfen gehärtet werden, muß das Wärmebehandlungsmuster die Innenecken umfassen, da die Eckenfestigkeit aufgrund von Torsionslasten kritisch ist. Bei der 90°-Spulenanordnung 300 ist das Erwärmungsmuster für ein inneres Hauptlager oder Zapfen 341 in 25 gezeigt. Wie gezeigt, erhalten die inneren Ecken 342, 343 keine ausreichende Wärmebehandlung, um die gewünschte oder notwendige Härte oder Festigkeit zu erzielen. Im Gegensatz hierzu wird das Erwärmungsmuster von 24 durch die Verwendung der 180°-Spulenanordnung 310 erzielt. Hier werden die inneren Ecken 344, 345 an jeder Seite des zylindrischen Innenhauptlagers (oder Zapfens) 346 ausreichend wärmebehandelt, um die gewünschte Härte oder Festigkeit zu erzielen. Wie ersichtlich ist, ist die 90°-Spulenanordnung zur Verwendung bei den äußeren Hauptlagern (Nr. 1 und Nr. 5) geeignet, während die 180°-Spulenanordnung beispielsweise für die inneren Hauptlager (Nr. 2, 3 und 4) verwendet werden sollte. Während die durch die Verwendung der 180°-Spulenanordnung erzeugten Härtungsmuster sehr wichtig sind, gibt es eine Vorteile, die von der Verwendung der 180°-Spulenanordnung im Vergleich zur 90°-Spulenanordnung abgeleitet werden. Bei Verwendung eines Kurbelwellenzapfens als Beispiel zeigten Tests, daß bei einem typischen Aufbau unter Verwendung der 90°-Spulenanordnung 300 etwa 18 Sekunden benötigt werden, um den Zapfen für die gewünschte Wärmebehandlungsbedingung ordnungsgemäß zu erwärmen. Bei der 180°-Spulenanordnung 310 werden unter sonst praktisch gleichen Bedingungen etwa 11 Sekunden benötigt, um den Zapfen für die gewünschten Wärmebehandlungsbedingung ordnungsgemäß zu erwärmen. Diese Zeitersparnis hängt direkt mit der Tatsache zusammen, daß durch Erwärmen der Stellen der größten Masse zuerst statt zuletzt, keine Zeit beim Warten darauf, daß diese Stellen die notwendige Temperatur erreichen, verloren geht oder verschwendet wird. Zusätzlich gibt es bei der 180°-Spule 310a einen größeren Bereich der Masse zum Kühlen mit Wasser durch die Spule, was seinerseits eine größere Wärmekapazität und eine größere Energiefähigkeit gestattet. Die Erwärmungsfähigkeit der 180°-Spule ist tatsächlich im Vergleich zur 90°-Spule verdoppelt. Die 180°-Spule wird im Vergleich zur 90°-Spule bevorzugt, wenn eine geringere Komplexität erwünscht ist oder wenn ein größeres oder stärkeres elektrisches Feld gewünscht ist. Die 90°-Spule erzeugt weniger Energie, verwendet weniger Kupfer und ermöglicht eine geringere Fluidströmung zum Kühlen.
Die in 23 bis 25 gezeigten Wärmebehandlungsmuster werden von der Mikroeinteilung der tatsächlichen Teile, die unter Verwendung von sowohl der 90°C- als auch der 180°-Spulenanordnung induktionsgehärtet werden, abgeleitet. Es ist das einzigartige und wichtige Wärmebehandlungsmuster von 24, für das entdeckt wurde, daß es durch die Verwendung der neuen und nichtoffensichtlichen, um 180° versetzten Sulenanordnung 310 erzielbar ist, die hier gezeigt und beschrieben wurde.
Die Anordnung der Hauptlager, Zapfen und Gegengewichte variiert in einem gewissen Ausmaß mit dem Motorstil. Beispielsweise besitzt ein Reihensechszylindermotor drei Paare von Zapfen, die paarweise aufgrund ihrer identischen Position mit Bezug auf eine obere Totpunktposition wärmebehandelt (d.h. induktionsgehärtet) werden. Wie ersichtlich ist, können die Zapfen 3 und 4 zusammen gleichzeitig behandelt werden wie auch die Zapfen 2 und 5 sowie die Zapfen 1 und 6. Bei einem V-6-Motor sind die sechs Zapfen zu drei Paaren gruppiert, um den V-6-Motor ordnungsgemäß auszugleichen. Die zwei Zapfen jedes Paars sind einander benachbart und werden als "Split-Zapfen" beschrieben.
Dies kann als eine einzigartigere Situation von der Perspektive des Induktionshärtens erachtet werden, jedoch ist die Kurbelwelle für einen V-6-Motor immer noch eine relativ übliche Gestaltung.
Ein "Split-Zapfen"-Paar von Kurbelwellenzapfen 350 und 351 ist schematisch in 26 gezeigt. Diese Zapfen werden drehend um eine 30°-Versetzung für den ordnungsgemäßen Ausgleich des V-6-Motors verschoben. Der zwischen den beiden Zapfen 350 und 351 angeordnete Bereich besitzt eine inhärente Schwäche, da er der dünnste Bereich der Kurbelwelle ist. 27 ist eine schematische Darstellung dessen, wie der Bereich 352 im seitlichen Schnitt aufgrund der zylindrischen Natur der Zapfen 350 und 351 aussieht, und der Tatsache, daß diese beiden zylindrischen Zapfen mit Bezug aufeinander verschoben sind, so daß ihre zylindrischen Achsen nicht zusammenfallen. Die Sektorgestalt 352a des Bereichs 352 durch den Schnitt 27-27 wird aufgrund ihrer Geometrie als "Football-Ball" oder Football-Ball-Gestalt bezeichnet. Gegengewichte 353 und 354 sind als Teil der teilweisen Kurbelwelle, die in 26 gezeigt ist, enthalten. Die Erwärmungs- (d.h. Induktionshärtungs-) Sequenz beginnt mit den gerundeten inneren Ecken 355a und 355b. Darauf folgt das Erwärmen (d.h. Induktionshärten) der Kurbelzapfen (d.h. Zapfen 350 und 351). In Übereinstimmung mit dem, was für die inneren Ecken 344 und 345 von 24 beschrieben wurde, sind die inneren Ecken 355a und 355b Bereiche größerer Masse. Die 180°-Spulenkonstruktion erzeugt in diesem Bereich teilweise aufgrund der Tatsache, daß er zuerst erwärmt wird, mehr Wärme. Das sich ergebende Erwärmungsmuster ist auch in 26 gezeigt.
Eine weitere Option zum Steuern der Menge an Wärmeaufnahme in der Kurbelwelle oder einem anderen Werkstück ist es, die Rate der Drehung der Kurbelwelle in Abhängigkeit von der Masse zu variieren, die benachbart der Spule vorhanden ist. Wenn die Induktionshärtungsspule beispielsweise dem schmaleren Bereich des Gegengewichts benachbart ist, ist die Rate der Drehung schneller, weil eine geringere Wärmeaufnahme erforderlich ist.
Wenn sich die Kurbelwelle dreht und der größere Bereich des Gegengewichts in eine Position benachbart der Spule gebracht wird, ist die Rate der Drehung langsamer, so daß mehr Hitze aufgenommen werden kann.
Der bevorzugte Ansatz für das Induktionshärten von Zapfen 350 und 351 ist die gleichzeitige Verwendung von zwei um 180° versetzten Spulenanordnungen 310 (siehe 28). Da es eine 30°-Versetzung oder -Verschiebung gibt, besitzen die beiden Spulenanordnungen eine ähnliche Verschiebung oder Versetzung in einer Richtung in die oder normal zur Ebene des Zeichnungsblatts. Indem die beiden Spulenanordnungen auf die zwei Zapfen 350 und 351 der Kurbelwelle in einer Linie angeordnet werden, wird der Übergangsbereich 352 nicht direkt erwärmt. Statt dessen führt das Erwärmen der Zapfen ausreichend Wärme zum Bereich 352, wenn man die dünnere Masse dieses Bereichs in Betracht zieht, um das gewünschte Induktionshärten durchzuführen. Da es drei Paare von versetzten Zapfen gibt, ist das Erwärmen (Induktionshärten), das für die Zapfen 350 und 351 beschrieben wurde, grundlegend das gleiche für die anderen beiden Paare von Zapfen. Wie in 28 gezeigt, ist jede um 180° versetzte Spulenanordnung 310 elektrisch und mechanisch mit einem entsprechenden Transformator 357 und 358 verbunden. Jeder Transformator ist auf seinem eigenen entsprechenden X-, Y-Positioniertisch 359 und 360 angebracht.
Die Nähe der Zapfen 350 und 351 stellt eine Induktionshärtungsherausforderung dar, da das Erwärmen eines Zapfen ohne das gleichzeitige Erwärmen des benachbarten Zapfens ein Zurücktempern der Ränder des benachbarten Zapfens verursacht. Die Nähe der beiden Zapfen ist ausreichend groß, so daß die für das Induktionshärten eines Zapfens erzeugte Wärme nicht von dem benachbarten Zapfen isoliert werden kann, um ein Zurücktempern zu verhindern. Falls die Zapfen 350 und 351 nicht gleichzeitig induktionsgehärtet werden, bleibt der Zwischenbereich 352, der Verbindungsbereich zwischen den zwei Zapfen, eine weiche Zone mit ungenügender Härte.
Die Anordnung der zwei versetzten Spulenanordnungen 310 von 28 ist für das Induktionshärten von Split-Zapfen 350 und 351 als Teil der Kurbelwelle eines V-6-Motors gezeigt. Die Darstellung von 29 zeigt die Verwendung von zwei versetzten Spulenanordnungen 310 für das Induktionshärten einer Reihen-6-Zylinder-Kurbelwelle. Der einzige "Unterschied" zwischen den in 28 und 29 gezeigten Anordnungen liegt in dem Stil oder Typ der Kurbelwelle, die induktionsgehärtet wird.
Unter Bezugnahme auf 30 ist ein weiteres Merkmal gezeigt. Die 90°-Spulenanordnung 300 ist für die äußeren Hauptlager einer Kurbelwelle 356 geeignet und die 180°-Spulenanordnung 310 ist für die inneren Hauptlager der Kurbelwelle bevorzugt. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Stilen der Induktionsspulenanordnungen an dem gleichen Werkstück, in diesem Fall einer Kurbelwelle, erfordert, daß bei Verwendung beider Stile die Spulenanordnungen die gleiche axiale Mittellinie besitzen, so daß die Achse der Kurbelwelle nicht verschoben oder bewegt werden muß. Die Achse jeder Induktionsspule 300a, 310a jeder Spulenanordnung 300, 310 fällt mit der vertikalen oder Längsachse der Drehung der Kurbelwelle 356 zusammen, wenn die Spulen in die Position für eine berührungsfreie Umlaufverfolgung wie hier beschrieben bewegt worden sind. Es ist bevorzugt, die beiden Transformatoren 357, 358 zu versetzen oder zu verschieben, statt die vertikale Achse der Kurbelwelle 356 aus der Ausrichtung mit einer Spulenanordnung 300 in Ausrichtung mit der anderen Spulenanordnung 310 verschieben zu müssen.
Es ist möglich, eine 90°-Spulenanordnung 300 mit dem ersten Transformator 357 und eine 180°-Spulenanordnung 310 mit dem zweiten Transformator 358 zu verbinden. Während diese Mischung einer 90°-Spule und einer 180°-Spule möglich ist, ist die wahrscheinlichere Anordnung die Verwendung des gleichen Spulenstils während des ganzen Verfahrens wie in 28 (V-6) und in 29 (Reihen-6-Zylinder) gezeigt ist.
Die beiden Transformationen sind voneinander versetzt oder verschoben, jedoch sind die Spulen anordenbar, so daß für einen Reihen-6-Zylindermotor die axialen Mittellinien der Spulen miteinander und mit der vertikalen Achse der Drehung der Kurbelwelle 356 zusammenfallen, wenn die Spulen in ihre Position bewegt sind. Jeder Transformator ist auf seinen eigenen entsprechenden X-, Y-Positioniertisch 359, 360 wie vorstehend beschrieben zum Positionieren der Induktionshärtungsspulen angebracht. Es ist ersichtlich, daß die axialen Mittellinien der Spulen nicht miteinander und mit der vertikalen Achse der Drehung der Kurbelwelle für V-6-Konstruktionen zusammenfallen (siehe 28).

Claims

Induktionshärtevorrichtung (20) zum induktiven Erwärmen und Abschreckhärten eines Werkstücks (21), wobei die Induktionshärtevorrichtung folgendes aufweist: eine Spannvorrichtung (40, 41) zum Positionieren und Lagern des Werkstücks an einer Werkstückstelle; eine Drehantriebsvorrichtung (44) zum Drehen des Werkstücks; und eine Induktionshärtestation, die neben der Stelle positionierbar ist und eine Induktionsspule (48) und ein Positioniersystem (49, 51) zum Bewegen der Induktionsspule auf einer vorbestimmten Bahn enthält, die auf der Geometrie und den Abmessungen eines Teiles (27a) des Werkstückes, das induktionsgehärtet werden soll, basiert; wobei sich der Teil des Werkstückes während der Werkstückdrehung auf einer Umlaufbahn bewegt und die von dem Positioniersystem erzeugte vorbestimmte Bahn derart ist, daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Abstand zwischen einer Innenfläche der Induktionsspule und dem Werkstückteil während einer vollen 360° Drehung des Werkstücks gebildet wird, wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie verschiedene Wärmeenergiemengen in verschiedenen Abschnitten des Teils erzeugt, um einen Wärmeverlust durch Wärmesenken oder Wärmevariable zu kompensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Antriebsvorrichtung (44) ausgebildet ist, um die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung ausgebildet und betreibbar ist, um die Leistungsabgabe der Induktionsspule zu variieren.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Abschreckvorrichtung (78) zum Liefern einer Abschreckflüssigkeit an den Werkstückteil.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Induktionsspule (48) mit Abschreckflüssigkeitsöffnungen ausgeführt ist, um eine Abschreckflüssigkeit zu dem Teil des Werkstücks (21) zu liefern.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Induktionsspule (48) eine Spule mit 180° Versatz ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Positioniersystem (49, 51) X- (51) und Y- (49) Antriebssysteme enthält, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Positioniersystem (49, 51) ferner eine elektronische Steuerung der X- (51) und Y- (49) Antriebssysteme enthält.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannvorrichtung (40, 41) ein Paar entgegengesetzt angeordneter Mittelsupports (40b, 41a) zum Positionieren und Lagern des Werkstücks (21) enthält.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Induktionsspule (48) wirkmäßig mit einem jeweiligen Transformator verbunden ist.
Verfahren zum Induktionshärten einer Kurbelwelle (21) mit einer Vielzahl von Zapfen (27a–27d) und einer Vielzahl von Lagerflächen (28a–28e) durch die Verwendung einer Vorrichtung, die eine Spannvorrichtung (40, 41) zum Positionieren und Lagern einer Kurbelwelle (41) an einer Kurbelwellenstelle, eine Drehantriebsvorrichtung (44) zum Drehen der Kurbelwelle, eine Induktionsspule (48), ein Positioniersystem (49, 51) zum Bewegen der Induktionsspule auf einer vorbestimmten Bahn und eine Steuereinrichtung enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Laden einer Kurbelwelle in die Spannvorrichtung, um die Kurbelwelle zwischen den Zentren vertikal zu lagern; b) Auswählen von einem der mehreren Kurbelwellenzapfen zum Induktionshärten; c) Eintragen von Geometrie- und Abmessungsdaten für den ausgewählten Zapfen in die Steuereinrichtung; d) Aktivieren des Positioniersystems, um die Induktionsspule neben dem ausgewählten Zapfen zu positionieren; e) Einschalten des Positioniersystems gleichzeitig mit der Drehantriebsvorrichtung derart, daß wenn sich der Zapfen auf seiner Drehumlaufbahn bewegt, die Induktionsspule dieser Umlaufbahn folgt; f) elektrisches Erregen der Induktionsspule, um den ausgewählten Zapfen induktiv zu erwärmen; und g) Abschrecken des ausgewählten Zapfens, wobei ein im wesentlichen gleichmäßiger Abstand zwischen einer Innenfläche der Induktionsspule und dem Zapfen während einer vollen 360°-Drehung der Kurbelwelle gebildet wird und verschiedene Wärmeenergiemengen in verschiedenen Teilen des Zapfens erzeugt werden, um einen Wärmeverlust durch Wärmesenken oder Wärmevariable zu kompensieren.