Verfahren und Einriehtung zur Oberflächenhärtung von mit Vorsprüngen versehenen Gegenständen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von mit Vorsprüngen versehenen Gegenständen. Werkstücke dieser Art sind zum Beispiel innen oder aussen ge- zahnte Räder, genutete Wellen. Reibahlen, Bohrer, Kanonenbohrer und,dergl.
Beim Härten der Oberflächen derartiger Gegenstände ist es oft von Bedeutung, dass sowohl die angrenzenden Flächen, als auch der Kern des unter der gehärteten Oberfläche liegenden Gegenstandteils weicher bleibt, da mit eine genügende Zähigkeit und Geschmei digkeit, und damit eine Widerstandsfähig keit gegen - Brüche und Risse infolge von Stössen, Schwingungen oder sonstigen Ur sachen verbleiben.
Bei Zahnrädern soll bei spielsweise die über :dem Teilkreis liegende Kopfhöhe hart sein, um der Schabwirkung beim rollenden und gleitenden Kontakt mit andern Zahnflächen Widerstand zu leisten, während das Metall in .der unter dem Teil kreis liegenden Zahnfusshöhe und in der Zahnwurzel, das nicht mit einem schabenden oder abnützend wirkenden Glied zusammen wirkt, aber starken Biegungsbeanspruchun- gen unterliegt, .stark und verhältnismässig ge schmeidig bleiben soll,
um eine Bruch-, Sprünge- oder Rissebildung auszuschliessen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Sprödig keit .des Stahls mit der Härte wächst, und je grösser die Sprödigkeit ist, um so mehr unter liegt das Metall der Bildung von Ober- flächenrissen oder beginnenden .Sprüngen, die schliesslich weit genug in das: Metall hinein reichen, um eine vollständige Zerstörung des heanspruchten Querschnittes herbeizuführen.
Bei dem bekannten Verfahren der ZaIn- radhärtung wurden; die Räder entweder auf die erforderliche Temperatur als Ganzes er hitzt und das ganze Zahnrad hierauf abge schreckt, was jedoch zu Schrumpfungsbean spruchungen und Verziehen führte.
Man hat aber auch ,die Zähne einzeln erhitzt, indem man sie einer Flamme aussetzte und sie dann abschreckte; bei diesem zweiten Verfahren muss die Wärme notwendig in Bereiche drin- gen, die kühl gehalten werden sollten, damit sie die ihnen von der vorangegangenen Be handlung erteilte Festigkeit beibehalten. Es wird aber bei diesem Verfahren auch das Oberflächenmetall durch die Verbrennungs erzeugnisse nachteilig beeinflusst.
Zur Vermeidung dieser Nachteile lässt man beim Verfahren gemäss :der Erfindung den Heizstrom in den Vorsprüngen gderart fliessen, dass diese nur ausserhalb der Wurzel teile oberflächlich auf Härtungstemperatur erhitzt werden; alsdann werden die erhitzten Teile abgeschreckt. Dadurch erhalten die Vorsprünge oberflächlich einen höheren Här- tungsgrad als die Wurzelteile.
Die. Einrichtung gemäss der Erfindung zur Durchführung des Härtungsverfahrens besitzt einen :elektrischen Leiter zum Induzie ren eines Heizstromes in den Vorsprüngen, der mit Einrichtungen zur Abschreckung des erhitzten Gegenstandes verbunden ist.
Die Zeichnung veranschaulicht mehrere Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Anhand der selben wird auch das Verfahren sell)st bei spielsweise erläutert.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Einrichtung zur Beheizung und Abschrek- kung :der Zähne eines Zahnrades; Fig. 2 ist ein. Schnitt nach :der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine ab- geänderte Form einer dem .gleichen Zweck dienenden Einrichtung, und zwar nach der Linie III-III in Fig. 4; Fig. 4 ist ein Teilquerschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3; Fi.g. 5 ist ein senkrechter Schnitt durch eine andere Einrichtung;
Fig. 6 und 7 sind Schnitte nach den Linien VI-VI bezw. VII VII in Fig. 5; Fig. 8 ist teils ein :Schnitt und teils ein Aufriss einer Variante der Einrichtung;
Fig. 9 ist ein gdem :Schnitt VI-VT der Fig. 5 ähnlicher Schnitt einer abgeänderten Ausführung und Fig. 10 ist eine Teilansicht in Richtung der Pfeils Y in Fig. 5 mit einer weiteren Ab ändQrung der Induktionsheizvorrichtung.
Die zweckmässige Belieizung ist.diedurch Hochfrequen.zinduktionsströme, -die in den: zu härtenden Zonen erzeugt werden. Die Behei- zung kann aber auch durch unmittelbare Hindurchleitung von Strömen durch :das Werkstück durch .elektrisch leitende Berüh rung zwischen dem Werkstück und Teilen der Heizvorrichtung herbeigeführt werden.
Werden bei grossen Zahnrädern ,sämtliche arbeitenden Zahnflächen gleichzeitig gehär tet, können sich Schwierigkeiten infolge der erforderlichen hohen Energieleistung erge ben. Mit der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 können die Zähne nacheinander gehär tet werden. Hierbei ist ein Rad 20, das ge härtet werden. soll, undrehbar auf einer Welle 2.1 angebr acht, die isoliert durch eine Hülse 22 in einem deckelartigen Glied 2.3 befestigt ist.
Zum Beheizen dient ein Gebilde 24, das gleichachsig zum Rade 2,0 gelagert ist. Die Heizvorrichtung besitzt in d:er Achsrichtung verlaufende Leiterstäbe 25 und 26 von sol cher Gestalt, dass; sie mit :einem gewissen.
Ab stand zwischen Nachbarzähnen des Rades 20 treten. Anschlussleiter einer Hochfrequenz quelle sind bei 27 und 28 angeschlossen. Der Hochfrequenzstrom fliesst auf :diese Weise durch die Stäbe 25, 26 und erzeugt dabei durch Induktion Heizstrom in den Oberflä chenzonen der Zahnflanken, die in unmittel barer Nähe der Stäbe liegen, jedoch ausser halb der Wurzelteile der Zähne.
Ein Man- tel 29, der den vom Rad eingenommenen Raum umschliesst, ist durch Ringe 30, 31 von den Leiterstäben isoliert. Sofort nachdem eine ausreichend hohe Temperatur erreicht ist, wird eine Abachreekflü.ssigkeit durch Rohrleitungen., die bei 32 und 33 (Fig. 1). angeschlossen sind, kräftig in -den ummantel ten Raum eingeführt.
Dadurch wird die er hitzte Oberfläche vollständig überflutet und abgeschreckt; Kanäle 34 ermöglichen ein Ab fliessen des Abschreckmittels. Nach genügen der Abkühlung wird :der Zufluss des Ab- schTeckmittels unterbrochen.
Der Deckel 212 mit der Welle 21 und dem Rad 20 wird so weit zurückgezogen, dass die Leiterenden von den Zähnen frei werden, und er wird dann gedreht, so dass .die Leiter gegenüber der nächsten Zahnlücli#e zu lieben kommen. Hier auf werden der Deckel und das Rad wieder vorgeschoben und der geschilderte Vorgang wird wiederholt, so dass die Flanken der Nachbarzähne gehärtet erden. Durch wie derholte Durchführung des Verfahrens wer den die Flanken sämtlicher Zähne gehärtet.
Durch Vergrösserung der Zahl von Leiterstä ben lassen sich mehrere Zahnflanken gleich zeitig härten. Bei kleinen oder grösseren Zahnrädern können für den Fall, dass genü gend Heizenergie verfügbar ist, soviele Stäbe verwendet werden, dass sämtliche Zähne gleichzeitig erhitzt werden können. Dabei ist eine möglichst gleichmässige Erhitzung der verschiedenen Zähne anzustreben.
Bei kleinen Zähnen kann die Abschrek- kung erfolgen, während die Leiterstäbe noch in Heizstellung sind, .so dass die Zahnflächen und die Heizstäbe gleichzeitig abgeschreckt werden.
Es kann aber auch leicht .dafür ge sorgt werden, dass die Heizvorrichtung 24 mit den Leiterstäben 25 und 2,6 entfernt wird, indem man zum Beispiel die Vorrich- tunb rasch aus ihrer Stellung durch Federn oder schnellwirkende Hebelanordnungen zu rückzieht, .die an dem vorspringenden Teil der Vorrichtung 24 angreifen. Nach Zurück ziehen der Leiter aus den Zahnlücken lassen sich die erhitzten Flächen rasch und kräftig abschrecken.
Sind die Radzähne sehr gross oder ist die verfügbare Energie nicht ausreichend, um mehr als eine Zahnfläche oder ein Paar von Zahnflächen auf einmal zu erhitzen, so kann auch eine Einrichtung nach Fig. 3 und 4 an gewendet werden. Hierbei ist ein Zahnrad 3,5 auf einer Welle 36 befestigt, die durch Zahnräder 3 7 und 38 mit dem Rohr 39 ge kuppelt ist, auf .dem die induzierenden Lei- terstäbe sitzen. Sperrvorrichtungen, z. B. ein unter Federwirkung stehender Rastzahn 40, halten die Räder in einer solchen Stellung, dass ein Leiterstab 40' mitten in der Lücke zwischen zwei Nachbarzähnen 41 und 42 liegt.
Ist ein Leiterstab 40' in dieser Lage, siehe Fig. 4, so lässt man Hochfrequenzstrom durch ihn hindurchfliessen, der Ströme genü gender Dichte in den Nachbarzonen der Zähne 41 und 42 ausserhalb der Wurzelteile erzeugt, so dass, diese oberflächlich auf Härte- temperatur gelangen.
Hierauf wird ein Ab- schreckmittel aus dem Rohr 39 durch Kanäle 43 meinen isolierten Armstern 44, sowie wei tere Kanäle 45 in den Leiterstäben gegen die erhitzte Fläche der Zähne .geleitet. Eine un- drehbare, an einer Seite offene Röhre 46 in nerhalb des Rohres 39 verhütet, dass das Ab- schreckmittel in andere Kanäle fliesst, als die, welche zu den erhitzten Zahnflächen und dem Nachbarbereich leiten.
Ist ein Zahnflächenpaar auf diese Weise gehärtet, so wird durch das beschriebene Ge triebe das Rad 3.5 zusammen. mit .der Gruppe induzierender Stäbe Reitergedreht, bis der nächste Leiterstab, z.
B. 47, in die benach barte Zahnlücke 48 gelangt ist, worauf wie der ein Rastzahn 40 eine Sperrung so lange herbeiführt, bis der Heizvorgang für diese Neueinstellung,durchgeführt ist. Durch Kon takte, die mit Bürsten 5'0 und 51 zusaMmen- ,tvirken, wenn diese Leiterstäbe in Heizstel- lung sind, wird dafür gesorgt, @dass der Reiz strom nur durch den in Arbeitsstellung be findlichen Leiter fliessen, kann.
Es ist klar, dass, man bei einer verhältnismässig beschränk ten Energiequelle und bei :grossen Randzäh nen auch in der Lage ist, statt zweier gegen überliegender Flächen, nur eine Zahnfläche auf einmal zu .erhitzen. Um dies zu erreichen, ist die Heizvorrichtung so gestaltet und ein gestellt, dass sie in nächste Nähe nur einer Zahnfläche gelangt, und weit genug von d-er gegenüberliegenden Fläche ist, so idass, ,sie diese nicht irgendwie nachteilig beheizen kann.
Für die rasche Oberflächenhärtung der Zahnköpfe kleiner Zahnräder wird, wenn ge nügend Energie zur Verfügung steht, um die Zahnoberfläche aller Zähne gleichzeitig zu erhitzen, vorteilhaft die Einrichtung nach Fig. 5 bis 7 benutzt. Das zu erhitzende Rad 52s wird auf einen stromleitenden Sockel 53 aufgesetzt,
.der seinerseits von der Stütze 54 getragen wird und von dieser bei 55 isoliert ist. Der Kranzteil 5.6 des Sockels ist aus gekerbt, so :da.ss die zweckmässig abgerunde ten Enden der Zähne 57 in leitenden Kon- takt mit diesen Kerben gelangen. Ein Deckel 58, :der mit einem äussern induzierenden Teil 59 verbunden ist, hat gleichfalls einen genu teten Kranzteil 60, der die gegenüberliegen den Endender Zähne aufnimmt.
Der Deckel 58 ist gegen :einen Fortsatz 61 des Sockels 53 durch :eine Büchse 62. isoliert. Zwischen den induzierenden Leiter 59 und diesem Dek- hel ist ein Spalt 6,3 vorgesehen;
die beiden genannten Teile stehen nur mittels einer ring förmigen Kontaktfläche bei 64 in elektri scher Verbindung. Ist ein Zahnrad zwischen Sockel und Deckel gelegt, so werden alle I'-ontaktflächen, einschliesslich der Fläche 64, mittels eines Andrückkolbens 65 in. .gut lei tende Berührung gebracht. Letzterer übt einen Druck nach unten aus und wirkt über eine isolierende Zwischenlage 66.
Sind die Teile gemäss Fi.g. 5 und 7 zusammen gebaut und durch kräftigen Druck in Berührung miteinander gehalten, so wird Hochfrequernz- strom über die Anschlussleitungen 67 und 68 zugeführt. Wenn man annimmt, dass der Strom bei 67 eintritt, so geht er von hier aus aufwärts durch den Leiter 59 und den Deckel 58, der ihn gleichmässig verteilt und abwärts durch die Kopfteile der Zähne :
des Rades 57 fliessen lässt, wobei die Zähne als Stromleiter zum Sockel 53 dienen. Vom Sockel geht der Strom aufwärts durch den Fortsatz 61 in den Kontaktkörper 69 und in den an :diesen an geschlossenen Anschluss, 68. -Der Strom in der Induktionsheizvorrichtung 59 folgt be sonders den, leitenden Rippen 70 und indu ziert Heizstrom in den obern Enden der Zähne 57.
Der Strom in den: Zahnkopfteilen verursacht eine Beheizung dieser ereile und die Induktionswirkung des Stromes in den achsialen Rippen ;der Induktionsvorrichtung in der Nähe der Kopfstirnflächen,des betref fenden.
Zahnes unterstützt diese Beheizung. Nach der Beheizung erfolgt :eine Abschrek- kung durch Hindurchleiten :eines Kühlmittels durch Kanäle 71 und durch einen Mantel raum 72 aussen an der Induktionsvoriichtung.
Eine weitere Einrichtung, die der nach Fig. 5 bis 7 ähnlich, jedoch einfacher aus- gestaltet ist, ist in Fig. 8 :dargestellt.
Hier bei wird :das zu erhitzende Rad 73 mit :dem Ende seiner Zähne in leitende Berührung mit einem nach innen ,gelehrten flanschartigen Kranz 74 eines zylindrischen Leiters 75 ge bracht, und wird durch einen obern Leiter 76, der sich auf die andern gegenüberliegen den Zahnenden aufsetzt, mittels eines bei 79 gelagerten.,
mit einer Druckstange 7 7 verbun denen Andrückhebels 78 angepresst. Dem Lei ter 75 wird Strom von den Anschlüssen 80 und 81 aus zugeführt. Dieser Strom fliesst abwärts durch den: zylindrischen Leiter, -der mit Rippen versehen sein kann, und erhitzt den Leiter auf eine ausreichend hohe Tempe ratur, um einen Wärmeübergang auf :die be nachbarten Radzähne durch Strahlung und Leitung zu erzielen. - Der Strom fliesst dann achsial durch :
die Zahnkopfteile, so dass die Widerstandsbeheizung zur Heizung durch Strahlung und Leitung hinzukommt. Die Ge samtwirkung erhöht die Temperatur der äu ssern Zahnenden, rasch genug, um diese auf Härtetemperatur zu bringen, bevor Wärme in grösserer Menge auf die Zahnwurzelteile übergeflossen ist. Das Abschreckungsmittel wird durch Kanäle 82 von einem isolierten Mantel 83 aus zu,den erhitzten Teilen gelei tet.
Der Mantel 83 ist bei 8:4 an eine Zufuhr- l.eitung für das Abschreckmittel angeschlos sen zudenken.
Bei der Einrichtung nach Fig. 8 kann der Leiter<B>7,5</B> mancherlei Formen annehmen, je nach Art der verlangten Arbeit und der Form der Oberflächenzone des Werkstückes. sowie nach Massgabe des verfügbaren Stromes.
Fig. 9 zeigt in etwas grösserem Massstabe eine Abänderung ,des induzierenden Leiters in bezug auf die Einstellung gegenüber den Zähnen eines Rades, die an den Flanken oberflächlich gehärtet werden sollen.
Bei die ser Ausführungsform ist der induzierende Leiter mit abwechselnden, radial verlaufen den Nuten und Rippen ausgestattet. Die Rippen reichen bis zu dem Teilkreis in die Lücke zwischen je zwei Nachbarzähnen des Rades. Die Enden 85 der Rippen sind der Form der Radzähne entsprechend ausgebil det.
Ein Mantelraum 86, der Abschreckflüs- 5igkeit zuführt, hat eine den Rippen entspre chende Form. Die Flüssigkeit fliesst von ihm aus durch Kanäle 87 gegen ,die abzuschrek- kend@en Radzähne. Die Oberflächenzone der Zähne wird bis zu einer Tiefe erhitzt, die durch engere Schraffur und die Linie 88 angedeutet ist.
Der induzierende Strom dringt aber nicht in den K Bernquerschnitt 89 und in die Wurzelteile und beeinträchtigt so mit nicht vorangegangene Vergütungsbe handlungen, die angewendet wurden, um Zähigkeit und Geschmeidigkeit hervorzu rufen. Nach Erreichung der Hä.rtungstempe- ratur wird das Abschreckmittel kräftig gegen die erhitzte Oberfläche gespritzt, während die Energiezufuhr unterbrochen wird.
Bei .der Einrichtung nach Fig. 10 ist die Gestalt der Rippen 90 zwischen Nachbar zähnen eines Rades 91 derart, dass die indu zierten Ströme hauptsächlich in den Zahn flanken fliessen. Hierbei gelangen Flansche 9,21 mit den Endflächen der Zähne in Kon takt, welche Zähne dann den Strom in ent gegengesetzter Richtung leiten, wie die indu zierenden Rippen; hierdurch wird die Behei- zung beträchtlich unterstützt.
Für die Härtung von Rädern mit Innen verzahnung ist, wie ohne weiteres erkennbar, eine induzierende Heizvorrichtung erforder lich, die in das nach innen reichende Vor sprünge aufweisende Werkstück eingeführt werden kann, derart, dass.die .Ströme auf die nach innen gerichteten Vorsprünge wirken.
Nach Erhitzung erfolgt dann wieder in der beschriebenen Weise die Abschreckung. Die Einrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass mit ihr sowohl Innen- wie Aussenzähne eines in der Einrichtung befindlichen Rades nacheinander oder auf einmal gehärtet wer den können.