Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von Werkstük- ken, die über ihre Länge sehr unterschiedliche Wand stärken bzw. -dicken aufweisen, auf eine gewünschte, für das ganze Werkstück gleichmässige Temperatur. Beispielsweise ist hierbei an rohrförmige Werkstücke mit verhältnismässig dickem Boden, insbesondere Pa tronenhülsen, Geschosshülsen und dergleichen, 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 ge zogen wird,' bis er die gewünschten Abmessungen aufweist. Dieses Verfahren findet seit langer Zeit mit vielen Abwandlungen bei der Herstellung von Blech waren und anderen kaltverformten Teilen Anwendung.
Bei einer derartigen Kaltverformung tritt eine Festigkeitssteigerung ein; die zwischen den einzelnen Ziehoperationen wieder beseitigt werden muss. Das erfolgt durch Weichglühen, sogenanntes Rekristalli- sationsglühen, und ist bei den meisten üblichen Werk stoffen 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 zunehmen- dem Masse die induktive Erwärmung auch beim Rekristallisationsglühen einzuführen beginnt.
Bei einem Glühofen durchläuft das Material die auf der gewünschten Temperatur gehaltene Heizzone und wird beim Durchlauf vorwiegend durch Kon vektion und Strahlung auf diese Temperatur ge bracht, 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- Induktions- spule mit verhältnismässig hohen Frequenzen- be trieben wird, kommt auch noch der Einfluss des Skin- Effektes hinzu, der in der gleichen Richtung wirkt. Hieraus ergeben sich beim induktiven Glühen von- Zieh- und Pressteilen häufig Schwierigkeiten, die die sonstigen bedeutenden Vorteile der Induktionsheizung in Frage stellen, wenn nicht gar deren Anwendung unmöglich machen.
Insbesondere bei der Fertigung der obenerwähnten Patronenhülsen liegen derartige Schwierigkeiten vor, da derartige Hülsen grundsätzlich aus einem ver hältnismässig langen, dünnwandigen Teil mit etwa 1 bis 3 mm Wandstärke bestehen, an den sich der Boden mit Bodenstärken bis zu 15 mm und mehr anschliesst.
Bringt man eine derartige, gegebenenfalls halb fertige Patronenhülse in eine gleichmässig gewickelte Induktionsspule, also eine Induktionsspule mit kon stantem Abstand der einzelnen Windungen vonein ander; so erwärmt sich der zylindrische Teil sehr schnell, während der Boden verhältnismässig kalt bleibt.
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. Hierbei aber sinkt der Wirkungsgrad der Anordnung erheblich, und es ist -kaum möglich, eine gleichmässige Erwärmung zu erzielen.
Man könnte-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 befindet, eine entsprechend grosse Amperewindungszahl 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 berücksichtigen.
Allerdings ist bei diesem Vorgehen von vorn- herein. nachteilig, dass immer nur ein Werkstück in einer Spule erwärmt werden kann. Bei höheren Stück- zahlen je Stunde müssen also entsprechend viele Induktionsspulen vorgesehen werden.
Besonders nachteilig ist aber, dass bei besonders starken Böden oder grossen Durchmessern und im Ver- hältnis dazu sehr schwachen Wandungen die Unter schiede in den erforderlichen Amperewindungszahlen so gross werden, dass die Herstellung entsprechender Spulen unmöglich wird. Dies gilt vor allem für Patro nenhülsen grösserer Kaliber.
Eine andere Möglichkeit,- dieser Schwierigkeiten Herr zu- werden, könnte darin gesucht werden, dass man lange Induktionsspulen baut, durch die die ein- zelnen Werkstücke Boden- an -Boden bzw. Mündung an Mündung oder gleichgerichtet Boden an Mündung hintereinander hindurchgeschoben werden. Dabei wäre dann an den Stellen, wo jeweils der Boden liegt, die Spule enger gewickelt als an den übrigen.
Abgesehen davon, dass auch hier die Unterschiede in den erfor derlichen Amperewindungszahlen-zu gross werden kön nen, 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 hierbei eine entsprechend gewickelte Spule.
Daher ist es also auf diese Weise \nicht möglich, Werkstücke verschiedener Länge durch die gleiche Spule zuschicken, was aber im Fertigungs programm von erheblicher Wichtigkeit sein kann, da zwischen den Glühoperationen, wie eingangs ge schildert, Ziehoperationen liegen, bei denen sich die Länge des Werkstückes ändert.
Alle diese Schwierigkeiten werden mit der vor liegenden Erfindung behoben. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass das starkwandige Werkstückteil unter Verwendung einer nur ihm zugeordneten Induk- toranordnung erhitzt wird, und zwar räumlich und zeitlich getrennt von der Erwärmung des dünnwandi gen Teiles, das mittels einer weiteren Induktoranord- nung beheizt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausfüh rung des obgenannten Verfahrens ist dadurch gekenn zeichnet, dass eine Fördervorrichtung mit einer Trans portbahn zum Aufnehmen und Weiterführen von länglichen, insbesondere rohrförmigen Werkstücken in quer zur Bewegungsrichtung sich erstreckenden Lage vorgesehen ist,
und eine langgestreckte schlei- fenförmige Induktionsspule seitlich entlang der Trans portbahn sowie eine zweite zylindrische Induktions spule in der Nähe des hinteren Endes der schleifen- förmigen Spule mit ihrer Achse senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Transportbahn angeordnet ist,
wobei im Betriebe mehrere Werkstücke mit ihren starkwandigen Teilen gleichzeitig durch die lang gestreckte Induktionsschleife umfasst werden und die Werkstücke nacheinander im Ganzen durch die zweite Spule hindurchgeführt werden.
Auf diese Weise werden die Zeiten und die be nötigten Leistungen für die Erwärmung der stark wandigen Werkstückteile einerseits und die Erwär mung der dünnwandigen Werkstückteile anderseits unabhängig voneinander. Es ist also möglich, den starkwandigen Boden einer Hülse mit einer erheb lichen Leistung in einer bestimmten Zeit zu erwärmen und anschliessend die dünnwandige Hülse selbst mit einer abweichenden Leistung und abweichenden Zeit dauer aufzuheizen. Zuerst erwärmt man also den Bo den 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 kann man zweckmässig in der Weise vorgehen, dass die Werkstücke in regel mässiger Aufeinanderfolge durch einen nur auf die starkwandigen Teile der Werkstücke einwirkenden, eine Mehrzahl von Werkstücken umfassenden schlei fen- oder spulenförmigen Induktor derart hindurch geführt werden, dass die starkwandigen Werkstück teile auf einen unterhalb der Endtemperatur liegen den Wert vorgeheizt werden,
und dass sie danach ein zeln in der gleichen Anordnung und im gleichen Arbeitstempo in den Wirkbereich eines weiteren, auf das gesamte Werkstück einwirkenden Induk- tors gebracht werden, der -das vorgeheizte Werk stückteil gleichzeitig mit dem übrigen Teil des Werk stückes auf die Endtemperatur bringt.
Bei einem solchen Verfahren hat man verschie dene Möglichkeiten, um auf die starkwandigen Werk stückteile einerseits und die vorgeheizten Gesamt werkstücke 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 um so grösser, je grösser der Gewichtsanteil des starkwandigen Werk stückteiles am Gesamtwerkstückgewicht ist.
Da bei diesen Verfahren mehrere Werkstücke durch einen langgestreckten schleifenförmigen In duktor geführt werden, der gleichzeitig auf diese einwirkt, kann es sich als zweckmässig erweisen, die Werkstücke während des Transports wenigstens durch diesen schleifen- oder spulenförmigen Induk tor ständig um eine zur Transportrichtung senkrechte Achse zu drehen. Diese Drehbewegung verbessert die Gleichmässigkeit der erzielten Erwärmung, da der Abstand der einzelnen Punkte der Werkstückober- fläche vom Heizleiter des Induktors nicht konstant ist.
Die gleiche Massnahme kann naturgemäss auch in Anwendung kommen, wenn das vorgeheizte Werk stück einem die Enderwärmung bewirkenden Induk tor zugeführt wird, wobei kein gleichmässiger Abstand zwischen dem Induktorleiter und dem Werkstück vorhanden ist.
Da die Förderung der Werkstücke je nach Art der benutzten Fördereinrichtung auch geradlinig er folgen kann, kann es gewisse Schwierigkeiten bieten, die Werkstücke in den Wirkraum des langgestreckten Induktors hineinzubringen. Zweckmässig wird daher die langgestreckte Induktionsschleife wenigstens an einem Ende zur Seite gekröpft, so dass auch bei geradliniger Förderung keine derartigen Schwierig keiten auftreten können.
Ein anderes Mittel zum Beheben dieser Schwie rigkeit 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 mög lich, das am Ende der Fördereinrichtung vorgesehene Stossglied gleichzeitig dazu zu benutzen, das der För- dereinrichtung entnommene vorgeheizte Werkstück dem zweiten Induktor zuzuführen.
Als Fördereinrichtung kann beispielsweise eine Drehscheibe dienen, die am Rand geeignete Vor richtungen zur Halterung der Werkstücke besitzt und, gegebenenfalls schrittweise, die Werkstücke durch den langgestreckten Induktor hindurch zum zweiten In duktor hin bewegt, der die Enderwärmung bewirkt. Mit Vorteil aber dient als Fördereinrichtung ein Ket tenförderer, der mit Aufnahmen für die Werkstücke versehen ist und diese mit ihren starkwandigen Teilen durch den Wirkraum des langgestreckten Induktors hindurchfuhrt.
Dabei werden die Werkstücke zweckmässig der Fördereinrichtung mittels einer Zuführung zugeleitet, die sie einzeln, gesteuert vom Antrieb der Förder einrichtung, in geordneter Lage an die Aufnahmen der Fördereinrichtung abgibt. Unter der geordnetenLage ist hier zu verstehen, dass beispielsweise bei einer dünn wandigen 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 Förder einrichtung oder gegebenenfalls auch die Werkstück zuführung ist hierbei zweckmässig mit seitlichen Füh rungsblechen 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 glei chen Stelle relativ zum langgestreckten Induktor be finden und von diesem mit möglichst hohem Wir kungsgrad erhitzt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; und zwar zeigen: Fig. 1 die Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von Hülsen mit starkwandigen Boden .im Seitenriss, Fig. 2 die gleiche Einrichtung im Grundriss. Fig. 3 stellt ein Temperaturdiagramm dar, wie es sich bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ergibt.
Bei der in Fig. i und Fig. 2 dargestellten Vor richtung zum induktiven Erhitzen von Werkstücken ist für den Werkstücktransport ein Kettenförderer 1 vorgesehen, der im wesentlichen aus den beiden Ket tenrädern 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 Aus führungsbeispiel aus einer dünnwandigen, am vor deren Ende mit einem dickwandigen Böden ver- sehenen Hülse bestehen. Die Werkstücke werdendem Kettenförderer 1 über eine als.Zuführung dienende Rinne 7 zugeführt, die im Querschnitt U-förmig aus gebildet 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 rich tigen Lage, das heisst mit dem Boden voran, zuge führt 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 Trum der Förderkette ist eine langgestreckte Induktionsschleife angeordnet, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich, im dargestellten Beispiel aus drei dicht nebeneinander liegenden Windungen be steht. Ihr vorderes Ende ist bei 1.0 winklig nach vorn abgekröpft, so dass die vorderen Werkstückenden, das heisst die starkwandigen Böden, hier unbehindert in den Wirkungsbereich der Induktionsschleife. 9 eintreten können.
Nachdem die Werkstücke mit ihren starkwandi gen 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, und hierbei gelangt es in den Wirkraum eines zweiten, hier spulen förmigen Induktors 12.
Dabei wird das Werkstück von einer geeigneten Halterung getragen, die im dar gestellten 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 Werkstückes mittels des Ausstossers 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<I>t</I> die Temperatur <I>T</I> als Diagramm aufgetragen.
Als -Zeit to ist der Augenblick gewählt, in dem ein Werkstück in den schleifenför- migen Induktor 9 eintritt. Dieser wirkt praktisch nur auf den starkwandigen Bodenteil ein, und es ergibt sich während der Förderung dieses Werkstückes durch den langgestreckten Induktor ein Anstieg der Boden temperatur gemäss der ersten, mit Boden gekenn zeichneten Kurve bis zur Temperatur T1. Da hierfür eine gewisse Zeit benötigt wurde, ist diese Temperatur im Zeitpunkt t,
erreicht. In: diesem Augenblick be findet 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 in Inneren des Induktors 12 befindet. Während dieser Zeitspanne erfuhr der Boden -keine weitere Erwär mung, und daher kühlte er sich 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 t2 ab die Temperatur des Bodens nur noch langsam, während die Hülsentemperatur vom Zeitpunkt t2 ab verhältnismässig steil ansteigt. Dieser Teil der Kurve ist mit Hülse bezeichnet.
Zur Zeit t3 haben Hülse und Boden die gleiche Temperatur T" 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 Aus- stossers 11 unter Zwischenschaltung des nächsten Werkstückes geschehen; so ist die Transportgeschwin digkeit und die von beiden Induktoren jeweils ab gegebene Leistung-ohne Schwierigkeiten entsprechend abzustimmen, und dies kann beispielsweise derart ge schehen, dass die Zeit t3-t2 gleich der Zeitspanne t1 7t,
gewählt und die Stromstärken entsprechend den Massen des Bodens bzw. des Gesamtwerkstückes ein gestellt werden.
Wie bereits kurz angedeutet, sind verschiedene Abwandlungen einer solchen Induktionserhitzungsvor- richtung möglich. Beispielsweise kann anstelle des Kettenförderers 1 ein Drehtisch benutzt werden;
eine Stossvorrichtung ähnlich dem Ausstosser 11 kann auch zum Hineinbefördern der Werkstücke in den Wirk bereich 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 hin ter, sondern neben dem Fördermechanismus anordnen will oder eine Pauseneinschaltung aus Gründen der jeweils gewünschten Aufheizcharakteristik bevorzugt und dergleichen mehr.