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Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von Werkstücken, die über ihre Länge sehr unterschiedliche Wandstärken bzw.
Dicken aufweisen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zum induktiven Erhitzen von Werkstücken, die über ihre Länge sehr unterschiedliche Wandstärken bzw. Dikken aufweisen, auf eine gewünschte, für das ganze Werkstück gleichmässige Temperatur. Beispielsweise ist hiebei an rohrförmige Werkstücke mit verhältnismässig dickem Boden, insbesondere Patronenhülsen, Geschosshülsen u. dgl. gedacht.
Die Fertigung solcher Teile erfolgt bekanntlich in der Weise, dass aus einer Ronde oder einem Stangenabschnitt zunächst ein Napf gepresst wird, der dann in mehreren Operationen immer länger gezogen wird, bis er die gewünschten Abmessungen aufweist. Dieses Verfahren findet seit langer Zeit mit vielen Abwandlungen bei der Herstellung von. Blechwaren und andern kaltverformten Teilen Anwendung.
Bei einer derartigen Kaltverformung tritt eine Festigkeitssteigerung ein, die zwischen den einzelnen Ziehoperationen wieder beseitigt werden muss. Dies erfolgt durch Weichglühen, sogenanntes Rekristallisations-Glühen, und ist bei den meisten üblichen Werkstoffen wie Stahl, Messing, Kupfer und Leichtmetall, unbedingt erforderlich.
Solches Weichglühen wurde bisher in Glühöfen vorgenommen, die jedoch viel Platz beanspruchen und für die moderne Fertigung eine Reihe weiterer Nachteile aufweisen, so dass sich jetzt in zunehmendem Masse die induktive Erwärmung auch beim Rekristallisations-Glühen einzuführen beginnt.
Bei einem Glühofen durchläuft das Material die auf der gewünschten Temperatur gehaltene Heizzone und wird beim Durchlauf vorwiegend durch Konvektion und Strahlung auf diese Temperatur gebracht, auf der es erforderlichenfalls längere Zeit hindurch gehalten wird.
Bei der induktiven Erwärmung durchläuft das Material eine Induktionsspule-, schleife oder eine ähnliche Anordnung, die im Werkstück die benötigte Wärme induktiv erzeugt. Dabei ist die je Zentimeter Spulenlänge übertragene Energie überall die gleiche, wenn man von gewissen Randeffekten am Anfang und Ende der Spule absieht, und daraus ergibt sich, dass ein massiver runder Körper sich viel langsamer aufheizt als ein dünnwandiger. Da die Induktionsspule mit verhältnismässig hohen Frequenzen betrieben wird, kommt auch noch der Einfluss des Skin-Effekts hinzu, der in der gleichen Richtung wirkt.
Hieraus ergeben sich beim induktiven Glühen von Zieh- und Press-Teilen häufig Schwierigkeiten, die die sonstigen bedeutenden Vorteile der Induktionsheizung in Frage stellen, wenn nicht gar deren Anwendung unmög- lich machen.
Insbesondere bei der Fertigung der obenerwähnten Patronenhülsen liegen derartige Schwierigkeiten vor, da derartige Hülsen grundsätzlich aus einem verhältnismässig langen, dünnwandigen Teil mit etwa 1 - 3 mm Wandstärke bestehen, an den sich der Boden mit Bodenstärken bis zu 15 mm und mehr anschliesst.
Bringt man eine derartige, gegebenenfalls halbfertige Patronenhülse in eine gleichmässig gewickelte Induktionsspule, also eine Induktionsspule mit konstantem Abstand der einzelnen Windungen voneinander, so erwärmt sich der zylindrische Teil sehr schnell, während der Boden verhältnismässig kalt bleibt.
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Man könnte daran denken, die Gesamtleistung etwas herabzusetzen und die Heizzeit entsprechend zu verlängern, um durch Wärmeleitung innerhalb der Hülse eine gleichmässige Temperaturverteilung zu erzielen. Hiebei aber sinkt der Wirkungsgrad der Anordnung erheblich, und es ist kaum möglich, eine gleichmässige Erwärmung zu erzielen.
Man könnte weiters daran denken, diesen grundsätzlichen Nachteil bei Werkstücken mit derart ungleichmässiger Massenverteilung dadurch zu vermeiden, dass man die Induktionsspule mit ungleichmässiger Steigung wickelt. Man müsste demnach der Spule an der Stelle, wo sich eine Massenanhäufung findet, eine entsprechend grosse Ampere-Windungszahl geben. Da die abgegebene Leistung annähernd proportional dem Quadrat der Windungszahl je Zentimeter Spulen- bzw. Werkstücklänge ist, könnte man in gewissen Grenzen Wandstärkenunterschiede auf diese Weise ausgleichen.
Allerdings ist bei diesem Vorgehen von vornherein nachteilig, dass immer nur ein Werkstück in einer Spule erwärmt werden kann. Bei höheren Stückzahlen je Stunde müssen also entsprechend viele Induktionsspulen vorgesehen werden.
Besonders nachteilig ist aber, dass bei besonders starken Böden oder grossen Durchmessern und im Verhältnis dazu sehr schwachen Wandungen die Unterschiede in den erforderlichen Ampère-Windungs- zahlen so gross werden, dass die Herstellung entsprechender Spulen unmöglich wird. Dies gilt vor allem für Patronenhülse grösserer Kaliber.
Eine andere Möglichkeit, dieser Schwierigkeiten Herr zu werden, könnte darin gesucht werden, dass man lange Induktionsspulen baut, durchdie die einzelnen Werkstücke Boden an Boden bzw. Mündung an Mündung oder gleichgerichtet Boden an Mündung hintereinaader hindurchgeschoben werden. Dabei wäredann an den Stellen, an denen jeweils der Boden liegt, die Spule enger gewickelt als an den übrigen Stellen. Abgesehen davon, dass auch hier die Unterschiede in den erforderlichen Ampère-Windungszahlen zu gross werden können, muss dann aber weiter vorausgesetzt werden, dass die Hülsenlängen genau stimmen, damit die Böden jeweils an der richtigen Stelle innerhalb der Spule zu liegen kommen. Vor allem verlangt jede Änderung der Hülsenlänge hiebei eine entsprechend gewickelte Spule.
Daher ist es also auf diese Weise nicht möglich, Werkstücke verschiedener Länge durch die gleiche Spule zu schicken, was aber im
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gangs geschildert, Ziehoperationen liegen, bei denen sich die Länge des Werkstückes ändert.
Alle diese Schwierigkeiten werden mit der vorliegenden Erfindung behoben, indem nach der Erfindung die Erhitzung des starkwandigen Werkstückteiles unter Verwendung einer nur ihm zugeordneten In- duktoranordnung unmittelbar, u. zw. räumlich und zeitlich getrennt von der Erwärmung des dünnwan- digen Teiles durcngeführt wird, welcher mittels einer weiteren Induktoranordnung beheizt wird, in beiden Fällen mit Anwendung einer kontinuierlichen Förderung.
Auf diese Weise werden die Zeiten und die benötigten Leistungen für die Erwärmung der starkwandigen Werkstückteile einerseits und die Erwärmung der dünnwandigen Werkstückteile anderseits unabhängig voneinander. Es ist also möglich. den starkwandigen Boden einer Hülse mit einer erheblichen Leistung in einer bestimmten Zeit zu erwärmen, und anschliessend die dünnwandige Hülse selbst mit einer abweichenden Leistung und abweichenden Zeitdauer aufzuheizen. Zuerst erwärmt man also den Boden und anschliessend die Wandung zusammen mit dem Boden.
Sind nun, wie es in der Praxis meistens der Fall ist, verhältnismässig grosse stündliche Stückzahlen von Werkstücken zu erhitzen, so geht man nach der Erfindung zweckmässig in der Weise vor, dass die Werkstücke in regelmässiger Aufeinanderfolge durch einen nur auf die starkwandigen Teile der Werkstücke einwirkenden, eine Mehrzahl von Werkstücken umfassenden schleifen-oder spulenförmigen Induktor derart hindurchgeführt werden, dass die starkwandigen Werkstückteile auf einen unterhalb der Endtemperatur liegenden Wert vorgeheizt werden, und dass sie danach einzeln in der gleichen Anordnung und im gleichen Arbeitstempo in den Wirkbereich eines weiteren, auf das gesamte Werkstück einwirkenden Induktors gebracht werden,
der den vorgeheizten Werkstückteil gleichzeitig mit dem übrigen Teil des Werkstücks auf die Endtemperatur bringt.
Bei einem solchen Verfahren hat man verschiedene Möglichkeiten, um auf die starkwandigen Werkstückteile einerseits und die vorgeheizten Gesamtwerkstücke anderseits derart einzuwirken, dass sich die gewünschte Endtemperatur gleichmässig im ganzen Werkstück einstellt. Zweckmässig wählt man die Dauer der Einwirkung des schleifen-oder spulenförmigen Induktors auf das einzelne Werkstück umso grö- sser, je grösser der Gewichtsanteil des starkwandigen Werkstückteiles am Gesamtwerkstückgewicht ist.
Da bei diesen Verfahren mehrere Werkstücke durch einen langgestreckten schleifenförmigen Induktor geführt werden, der gleichzeitig auf diese einwirkt, kann es sich als zweckmässig erweisen, die Werkstücke während des Transportes wenigstens durch diesen schleifen-oder spulenförmigen Induktor ständig
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um eine zur Transportrichtung senkrechte Achse zu drehen. Diese Drehbewegung verbessert die Gleichmässigkeit der erzielten Erwärmung, da der Abstand der einzelnen Punkte der Werkstückoberfläche vom Heizleiter des Induktors nicht konstant ist. Die gleiche Massnahme kann naturgemäss auch in Anwendung kommen, wenn das vorgeheizte Werkstück einem die Enderwärmung bewirkenden Induktor zugeführt wird, der keinen gleichmässigen Abstand zwischen dem Induktorleiter und dem Werkstück besitzt.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung kann eine Fördereinrichtung enthalten, die die Werkstücke mit ihren starkwandigen Teilen durch eine langgestreckte, mehrere Werkstücke gleichzeitig umfassende Induktionsschleife hindurchführt, wobei ein allein auf das am stärksten aufgeheizte Werkstück in seiner Gesamtheit einwirkender zweiter Induktor vorgesehen ist.
Da hiebei die Förderung der Werkstücke je nach Art der benutzten Fördereinrichtung auch geradlinig erfolgen kann, kann es gewisse Schwierigkeiten bieten. die Werkstücke in den Wirkraum des langgestreckten Induktors hineinzubringen. Zweckmässig wird daher die langgestreckte Induktionsschleife an einem Ende in an sich bekannter Weise zur Seite gekröpft, so dass auch bei geradliniger Förderung keine derartigen Schwierigkeiten auftreten können.
Ein anderes Mittel zum Beheben dieser Schwierigkeiten besteht in der Anwendung von Stossgliedern, z. B. von in ihrer Längsrichtung bewegbaren Stiften oder Bolzen, mit deren Hilfe das Werkstück von der Seite her der Fördereinrichtung zugeführt oder von ihr hinwegbefördert werden kann. Dabei ist es möglich, das am Ende der Fördereinrichtung vorgesehene Stossglied gleichzeitig dazu zu benutzen, das der Fördereinrichtung entnommene vorgeheizte Werkstück dem zweiten Induktor zuzuführen.
Als Fördereinrichtung kann beispielsweise eine Drehscheibe dienen, die am Rand geeignete Vorrichtungen zur Halterung der Werkstücke besitzt und, gegebenenfalls schrittweise, die Werkstücke durch den langgestreckten Induktor hindurch zum zweiten Induktor hin bewegt, der die Enderwärmung bewirkt. Mit Vorteil aber dient als Fördereinrichtung ein Kettenförderer, der mit Aufnehmern für die Werkstücke versehen ist und diese mit ihren starkwandigen Teilen durch den Wirkraum des langgestreckten Induktors hindurchführt.
Dabei werden die Werkstücke zweckmässig der Fördereinrichtung mittels einer Zuführung zugeleitet, die sie einzeln, gesteuert vom Antrieb der Fördereinrichtung, in geordneter Lage an die Aufnehmer der Förde ; Einrichtung abgibt. Unter der "geordneten Lage" ist hier zu verstehen, dass beispielsweise bei einer dünnwandigen Hülse mit starkwandigem Boden diese Werkstücke dem Kettenförderer so zugeführt werden, dass sich die Böden alle auf der gleichen Seite der Förderkette befinden. Der erste Teil der Fördereinrichtung oder gegebenenfalls auch die Werkstückzuführung ist hiebet zweckmässig mit seitlichen Führungs- blechen versehen, die die Werkstücke in bezug auf die Fördereinrichtung bzw. den langgestreckten Induktor ausrichten.
Damit wird erreicht, dass sich die starkwandigen Werkstückteile genau an der gleichen Stelle relativ zum langgestreckten Induktor befinden und von diesem mit möglichst hohem Wirkungsgrad erhitzt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von Hülsen mit starkwandigem Boden im Sei- tenriss, Fig. 2 die gleiche Einrichtung im Grundriss und Fig. 3 ein Temperaturdiagramm, wie es sich bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ergibt.
Bei der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von Werkstücken ist für den Werkstücktransport ein Kettenförderer 1 vorgesehen, der im wesentlichen aus den beiden Kettenrädern 2 und 3 sowie einer endlosen Gelenkkette 4 besteht. Der Antrieb des Kettenförderers 1 ist der Einfachheit halber nicht näher dargestellt.
Die Förderkette 4 ist mit Aufnehmern 5 für die Werkstücke 6 versehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer dünnwandigen, am vorderen Ende mit einem dickwandigen Boden versehenen Hülse bestehen. Die Werkstücke werden dem Kettenförderer 1 über eine als Zuführung dienende Rinne 7 zugeführt, die im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist, und deren hochstehende Flanken 14 die Werkstücke gegeneinander mit der erforderlichen Genauigkeit ausrichten. Vorausgesetzt ist dabei, dass die Werkstücke auf die Rinne 7 sämtlich in der richtigen Lage, d. h. mit dem Boden voran, zugeführt werden. Zur Abgabe der einzelnen Werkstücke an die auf der Förderkette 4 befestigten.
Aufnehmer 5 ist am Ende der Rinne ein Gesperre 8 angeordnet, das mit dem Antrieb des Kettenförderers gekuppelt ist und jeweils im richtigen Augenblick ein Werkstück auf den nächsten freien Aufnehmer 5 gleiten lässt. In Fig. 1 erfolgt die Bewegung der Kettenräder 2, 3 im Uhrzeigersinne, so dass die Aufnehmer 5 dem unteren Ende der Rinne 7 fortlaufend von links her zugeführt werden.
Längs dem oberen Turm der Förderkette ist eine langgestreckte Induktionsschleife angeordnet, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich, im dargestellten Beispiel aus drei dicht nebeneinanderliegenden Windungen
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besteht. ihr vorderes Ende ist bei 10 winklig nach vorn abgekröpft, so dass die vorderen Werkstückenden d. h. die starkwandigen Böden, hier unbehindert in den Wirkungsbereich der Induktionsschleife 9 eintreten können.
Nachdem die Werkstücke mit ihren starkwandigen Böden die Induktionsschleife 9 durchlaufen haben, gelangen sie kurz vor dem geschlossenen Ende der Induktionsschleife 9 in eine Stellung, in der sich das einzelne Werkstück in Flucht mit einem Ausstosser 11 befindet. Dieser Ausstosser schiebt das Werkstück seitlich von seinem Aufnehmer 5 herunter, wobei es in den Wirkraum eines zweiten, hier spulenförmigen Induktors 12 gelangt. Dabei wird das Werkstück von einer geeigneten Halterung getragen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Rinne 13 besteht. Hier ist das Werkstück in seiner gesamten Länge der Wirkung der Induktionsspule ausgesetzt, wird also als Ganzes erwärmt.
Beim Einschieben des nächsten Werkstücks mittels des Aussstossers 11 wird das in dem Induktor 12 aufgeheizte Werkstück vom nachfolgenden verdrängt und gleitet auf einer nicht näher dargestellten Transportvorrichtung zur nächsten Bearbeitungsstation.
Die Abmessungen der beiden Induktoren 9 und 12 sowie die in ihnen fliessenden Hochfrequenzströme sind so gewählt, dass sich eine Werkstückerwärmung ergibt, wie sie grundsätzlich in Fig. 3 dargestellt ist. Hier ist über der Zeitachse t die Temperatur T als Diagramm aufgetragen. Als Zeit to ist der Augenblick gewählt, in dem ein Werkstück in den schleifenförmigen Induktor 9 eintritt. Dieser wirkt praktisch nur auf den starkwandigen Bodenteil ein, und es ergibt sich während der Förderung dieses Werkstücks durch den langgestreckten Induktor ein Anstieg der Bodentemperatur gemäss der ersten im Zeitpunkt to beginnenden Kurve bis zur Temperatur T. Da hiefür eine gewisse Zeit benötigt wurde, ist diese Temperatur im Zeitpunkt tl erreicht. In diesem Augenblick befindet sich das Werkstück vor dem Ausstosser 11.
Es wird aus dem Wirkbereich der Induktionsschleife 9 herausbefördert und gelangt in den Innenraum des Induktors 12. Für diesen Transport wird eine gewisse Zeit benötigt, so dass es erst im Zeitpunkt t2 sich im Innern des Induktors 12 befindet. Während dieser Zeitspanne erfuhr der Boden keine weitere Erwärmung und kühlte sich daher auf die Temperatur T2 ab. Da jetzt der Induktor 12 auf Boden und Wandung zugleich einwirkt, anderseits aber eine verhältnismässig geringe Leistung auf das Werkstück überträgt, steigt vom Zeitpunkt tn ab die Temperatur des Bodens nur noch langsam, während die Hülsentemperatur vom Zeitpunkt t2 ab verhältnismässig steil ansteigt. Der Verlauf der Hülsentemperatur ist durch die im Zeitpunkt t2 auf der Abszisse beginnende Kurve dargestellt.
Zur Zeit t3 haben Hülse und Boden die gleiche Temperatur T3 erreicht, die im vorliegenden Falle die gewünschte Endtemperatur darstellt.
Das Werkstück kann jetzt aus dem Induktor 12 entfernt werden. Soll dies in der vorstehend angegebenen Weise mittels des Ausstossers 11 unter Zwischenschaltung des nächsten Werkstücks geschehen, so ist die Transportgeschwindigkeit und die von beiden Induktoren jeweils abgegebene Leistung ohne Schwierigkeiten entsprechend abzustimmen, und dies kann beispielsweise derart geschehen, dass die Zeit t3 - t2 gleich der Zeitspanne tl - to gewählt und die Stromstärken entsprechend den Massen des Bodens bzw. des Gesamtwerkstücks eingestellt werden.
Wie bereits kurz angedeutet, sind verschiedene Abwandlungen einer solchen Induktionserhitzungsvorrichtung möglich. Beispielsweise kann an Stelle des Kettenförderers 1 ein Drehtisch benutzt werden ; eine Stossvorrichtung ähnlich dem Ausstosser 11 kann auch zum Hineinbefördern der Werkstücke in den Wirkbereich des langgestreckten Induktors dienen, wobei die Abkröpfung des Induktors 9 am linken Ende 10 überflüssig sein kann ; der Induktor 9 kann an beiden Enden mit Abkröpfungen versehen sein, um nicht nur das Einführen, sondern auch das Ausführen der Werkstücke in geradliniger Bewegung zu ermöglichen, falls man z.
B. den zweiten Induktor 12 nicht hinter, sondern neben dem Fördermechanismus anordnen will oder eine Pauseneinschaltung aus Gründen der jeweils gewünschten Aufheizcharakteristik bevorzugt.
PATENTANSPRÜCHE : L Verfahren zum induktiven Erhitzen von Werkstücken, die über ihre Länge sehr unterschiedliche Wandstärken bzw. Dicken aufweisen, auf eine gewünschte, für das ganze Werkstück gleichmässige Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass der starkwandige Werkstückteil unter Verwendung einer nur ihm zugeordneten Induktoranordnung unmittelbar erhitzt wird, u. zw. räumlich und zeitlich getrennt von der Erwärmung des dünnwandigen Teiles, der mittels einer weiteren Induktoranordnung beheizt wird, in beiden Fällen mit Anwendung einer kontinuierlichen Förderung.