CZ9502012A3 - Induction hardening process of toothed wheels and induction hardening machine for making the same - Google Patents

Description

Vynález se týká indukčního kalicího stroje pro obrysové kalení ozubených kol, kombinace hypoidního ozubeného kola s indukčním kalicím strojem a způsobu indukčního kalení ozubených kol. Vynález se zejména týká technologie indukčního ohřevu, zvláště použití indukčního ohřevu pro cementování strojních součástí, jako jsou ozubená kola.

Dosavadní stav techniky

Strojní součásti, jako jsou ozubená kola, drážkované hřídele a řetězová kola, jsou často podrobovány vysokým kroutícím momentům, opotřebení třením a nárazovému zatížení. Například ozubená kola v převodovce musí odolávat při své činnosti všem druhům těchto sil. Při obvyklé výrobě ozubených kol následuje za obrobením ozubení tepelné zpracování pro vytvrzení. Tepelné zpracování ozubených kol může zahrnovat zpracování, z nichž všechna mají stejný úkol vytvoření mikrostruktury s určitými optimálními vlastnostmi. Nicméně při kalení často dochází ke zkroucení zubů ozubených kol, které má za následek jejich sníženou a proměnlivou kvalitu.

mnoho různých typů účel neboli jediný spojených s obvyklým schopnosti strojní zmíněným zatížením a

Pro odstranění těchto nedostatků tepelným zpracováním a pro zlepšení součásti (ozubeného kola) odolávat výše třecím silám se podrobuje cementovaná vnější vrstva základního kovu selektivnímu kalení. Tímto způsobem se změní pouze tato cementovaná vnější vrstva a základní materiál si zachová své požadované vlastnosti, jako jsou pevnost a tažnost.

Jedním způsobem selektivního kalení této cementované vnější vrstvy na strojních součástech, jako jsou ozubená kola, je individuální indukční kalení jednotlivých zubů. Dalším způsobem, který je rovněž selektivní, je způsob označovaný jako selektivní nauhličování. Indukční kalení po jednotlivých zubech se provádí pomocí tvarového ohřívače, který osciluje dopředu a zpět v zubové mezeře ozubeného kola. To se obvykle provádí při ponořeném ozubeném kole v chladicí lázni. Tento proces je relativně pomalý, protože vždy se zpracovává pouze jeden zub. Selektivní nauhličování je nejrozšířenějším způsobem, přičemž tento způsob rovněž zahrnuje pokrytí povrchů, které mají být chráněny proti nauhličení, materiálem, který brání při zpracování v peci průchodu aktivního uhlíku. Nejrozšířenějším způsobem pro zabránění průchodu aktivního uhlíku je galvanické pokovování povrchů mědí. Ozubené kolo je galvanicky pokoveno mědí na všech površích vyjma zubů, které se tedy nauhličí. Součást se potom podrobí odstranění měděného povlaku, konečnému obrábění, galvanickému pokovení mědí na všech místech, ohřátí v peci a ochlazení.

Obtíže a náklady spojené s nauhličováním nutily společnosti nacházet alternativní způsoby, jako je indukční ohřev pro selektivní cementování, avšak prováděný ve větším měřítku na rozdíl od popsaného indukčního kalení po jednotlivých zubech. V patentu US 4 675 488, uděleném 23. 6. 1987 Muchovi a kol., se uvádí varianta výše popsaného způsobu indukčního kalení po jednotlivých zubech, který zahrnuje indukční ohřev, za nímž následuje kalení několika zubů najednou v lázni, zatímco zbytek zubů je ochlazován za účelem odstranění nevýhod dříve zmíněného kalení zubů. I když jsou všechny zuby nakonec indukčně kaleny, jsou induktory extrémně složité a nákladné. V patentu US 4 675 488 je rovněž uveden několikaletý pokus jiných výrobců o navržení prostředků pro indukční kalení vnějších obvodových povrchů ozubených kol použitím kruhového induktoru, takže ozubená kola mohou být induktorem zpracována a potom ihned zakalena pro vytvoření požadovaného vytvrzení cementované vnější vrstvy na vnějším povrchu ozubeného kola. Řešení navržené v patentu US 4675 488 uvádí použití dvou indukčních cívek s obrobkem umístěným koncentricky v první indukční cívce. Tato první indukční cívka se vybudí prvním střídavým proudem po pevnou časovou periodg. Po skončení vybuzení nastane časová prodleva, načež se první indukční cívka opět vybudí druhým střídavým proudem s jinou frekvencí opět po pevnou časovou periodu, která však je podstatně kratší než první časová perioda s prvním střídavým proudem. Na konci této druhé časové periody se obrobek ihned přemístí do druhé indukční cívky, v níž je rovněž umístěn koncentricky, a nastane druhá prodleva. Po této operaci se druhá indukční cívka vybudí vysokofrekvenčním proudem po třetí časovou periodu a vnější povrchy se okamžitě ochladí kalicí kapalinou stříkanou na tyto vnější povrchy, zatímco obrobek se nachází v druhé indukční cívce.

Před několika lety bylo popsáno uspořádání pro indukční ohřev se dvěma frekvencemi, přičemž pro předehřátí zubů ozubeného kola byl použit nízkofrekvenční proud a pro konečný ohřev před kalením byl použit vysokofrekvenční proud. Toto uspořádání se dvěma frekvencemi proudu je do určitého rozsahu použito v uvedeném patentu US 4 675 488. Tato koncepce se dvěma frekvencemi byla rovněž popsána autory předloženého vynálezu v jejich článku nazvaném Induction Gear Hardening by the Duál Frequency Method v časopisu Heat Treating, svazek 19, č. 6, publikovaném v červnu 1987. Jak je v tomto článku objasněno, používá princip ohřevu dvěma frekvencemi jak vysokofrekvenční, tak i nízkofrekvenční zdroj tepla. Ozubené kolo se nejprve ohřeje relativně nízkofrekvenčním zdrojěm (3-10 kHz), dodávajícím energii potřebnou pro předehřátí hmoty zubů ozubeného kola. Za touto operací ihned následuje ohřev vysokofrekvenčním zdrojem v rozsahu 100-300 kHz v závislosti na velikosti ozubeného kola a tak zvané průměrové rozteči ozubení. Vysokofrekvenční zdroj velmi rychle ohřeje celou obrysovou plochu zubů na konečnou teplotu, to jest na kalicí teplotu. Potom je ozubené kolo zakaleno na požadovanou tvrdost a popuštěno.

Ohřev dvěma frekvencemi je nejrychlejším známým způsobem ohřevu ozubeného kola. Doby ohřevu se pohybují v rozsahu od 0,14 do 2,0 sekund, na rozdíl od požadovaných dob ohřevu postupně zub po zubu, které se pohybují v rozsahu 4 až 30 minut. Při ohřevu dvěma frekvencemi se obrobek předehřívá, přičemž se otáčí na vřetenu upínacího přípravku. Potom se rychlým impulsem dosáhne optimálního konečného ohřevu. Potom se obrobek ponoří do vodní lázně na dobu přibližně 15 až 30 sekund. Způsob ohřevu dvěma frekvencemi je mezi způsoby kalení ozubených kol jedinečný tím, že umožňuje vzájemnou koexistenci dvou si konkurujících požadavků. To znamená, že pro danou hloubku cementované vrstvy a mez zkroucení dochází u známých kalicích způsobů k uspokojování jednoho z těchto požadavků na úkor druhého. Protože způsobem kalení se dvěma frekvencemi se dodává do součásti pouze nutné množství tepla (1/2 až 1/10 energie využité u běžné indukce), je možno přesně splnit oba požadavky, to jest jak na hloubku cementované vrstvy, tak na geometrii ozubení.

U indukčního ohřevu, ať se dvěma nebo s jedinou frekvencí a bez ohledu na typ součásti nebo na její materiál, určují charakteristické veličiny součásti optimální vytvoření jak indukční cívky nebo cívek, tak i co nejvhodnější nastavení kalicího stroje. Pouze s náležitě provedenou cívkou a s náležitým nastavením kalicího stroje je možné splnit požadavky na obrysové kalení vnější vrstvy považované za nejvhodnější z hlediska odolnosti proti opotřebení a zatížení, přičemž zbývající část součásti si zachová svou pevnost, další vlastnosti. Ozubené kolo, které je příliš může předčasně porušit, často zlomením zubu nebo i své základní části.

tažnost křehké, : zlomen a

se ím

Jsou známé i další patenty, které se všeobecně týkaj indukčního kalení:

patent č. 4 749 834 4 757 170 4 785 147 4 855 551 4 855 556 autoři Mucha a kol. Mucha a kol. Mucha a kol. Mucha a kol. Mucha a kol.

datum udělení 7. 6. 1988

12,

15,

8,

8,

7, 11,

8, 8,

1988

1988

1989 1989

V patentu US 4 749 834 je uveden způsob kalehí radiálních, ven směřujících povrchů všeobecně kruhového, ozubeného obrobku otáčejícího se kolem středové osy všeobecně koncentrické s ven směřujícími povrchy, přičemž nejkrajnější místa povrchů tvoří vnější neboli hlavovou kružnici zubů obrobku. Tímto obrobkem je obvykle ozubené kolo, přičemž, jak je znázorněno na různých obrázcích, jde o ozubené kolo se zuby se stejnou geometrií.

V patentu US 4 757 170 je uveden způsob a zařízení pro postupné kalení podélného obrobku, jehož vnější v podstatě válcová plocha je koncentrická se středovou osou, přičemž řešení zahrnuje koncepci uspořádání první indukční cívky a druhé indukční cívky těsně u sebe, z nichž každá má otvor pro vložení obrobku v podstatě koncentrický s osou obrobku. I když se jedná o typ s postupným kalením zub po zubu s pohonem ozubenou tyčí a pastorkem, viz obr. 1, je nutno rovněž poznamenat, že znázorněným obrobkem je ozubené kolo se stejnou geometrií zubů.

V patentu US 4 785 147, který je pokračováním patentu US 4 749 834, je uvedeno zařízení pro kalení ven směřujících povrchů zubů ozubeného kola. Platí zde tedy skutečnosti uvedené výše u tohoto patentu.

V patentu US 4 855 551 je uveden způsob a zařízení pro kalení ven směřujících povrchů zubů ozubeného kola. Tento patent je pokračováním patentu US 4 785 147, takže jeho popis odpovídá tomuto patentu.

V patentu US 4 855 556 je uvedeno způsob a zařízení pro postupné kalení podélného obrobku, jehož vnější v podstatě válcová plocha je koncentrická se středovou osou. Tento patent je pokračováním dřívějšího patentu US 4 757 170, takže jeho popis odpovídá tomuto patentu.

Je zřejmé, že každý z uvedených pěti předcházejících patentů se nijak netýká indukčního kalení zubů ozubeného kola, které mají nestejnou geometrii, zejména těch ozubených kol, kde se hmota každého zubu mění od paty k hlavě. Vzhledem k této skutečnosti je zřejmé, že všech pět uvedených známých řešení má velmi omezený, jestliže vůbec nějaký, vztah k předloženému vynálezu.

Obvykle se pro široký rozsah různých součástí používala a používá pevná indukční cívka a nastavení kalicího stroje se provádělo na základě nej lepšího odhadu obsluhy kalicího stroje. Upevněním indukční cívky je eliminována jedna proměnná a obsluha se snaží pro přijatelnost finálního výrobku zredukovat metodu pokusů a omylů na minimum. Čím zkušenější je obsluha, to znamená, že čím větší je počet součástí a různých druhů součástí, s nimiž má již obsluha zkušenost, tím větší je rozsah, v němž je obsluha schopna uplatnit tyto skutečnosti, takže může dosáhnout přijatelných výsledků, avšak pouze po opakovaných pokusech.

Protože tento celkový přístup není vědecký, je možno doufat v dosažení přijatelných, avšak nikoli optimálních výsledků. Tento problém je znásoben tehdy, když se indukční ohřev používá u nepravidelně tvarovaných předmětů, jakými jsou ozubená kola. Doposud nebyl proveden žádný pokus vyzkoušet a odvodit řadu vzorců pro přesné stanovení nejoptimálnějších požadavků na indukční cívku a na nastavení indukčního stroje pro danou součást, která by byla opakovatelná součást po součástí bez ohledu na velikost, tvar, materiál nebo další charakteristické vlastnosti. Místo toho byly zvoleny celkové parametry indukční cívky založené na všeobecné velikosti součásti a potom bylo provedeno nastavení kalicího stroje, dokud nebylo dosaženo kombinace proměnných co nejbližší pro dosažení akceptovatelných výsledků.

Pro odstranění neurčitosti požadavků na provedení indukční cívky a na nastavení indukčního stroje a pro umožnění přesného a optimálního indukčního kalení bez ohledu na typ strojní součásti nebo na její geometrii a jiné znaky, vytvořili autoři vynálezu řešení, které je uvedeno v patentu US 4 845 328. V tomto patentu 4 845 328 je uvedena konstrukce kalicího stroje a způsob indukčního kalení s použitím řady vzorců pro vypočtení požadavků na indukční cívku a na nastavení kalicího stroje, přičemž tyto vzorce jsou založeny na velikosti strojní součásti a na jejích charakteristických znacích. Tento způsob vědeckého výpočtu požadavků na jedinců indukční cívku a proměnné indukčního stroje, to jest jejho nastavení, založený na individuálních charakteristických vlastnostech součástí, umožňuje dosahování předvídatelných a stejných výsledků při indukčním kalení součástí náležitým a opakovatelným způsobem.

Jakékoli výpočty prováděné dříve, které mohly být prováděny, které však byly v nejlepším případě po^ze základními výpočty, byly založeny pouze na velikosti povrchu a hloubce pronikání. Řada vzorců podle patentu US 4 845 328 umožňuje vědecky nastavení proměnných indukční cívky a kalicího stroje, tedy nikoli používání domněnek, takže je zcela vyloučena metoda pokusů a omylů, přičemž současně se zlepšila kvalita součástí z pouze přijatelné kvality neboli tolerovatelné úrovně na optimální úroveň.

Přesněji řečeno, patent US 4 845 328 je zaměřen na vzorce a řešení pro indukční kalení ozubených kol s rovnoběžnými osami zubů. Při konstantní velikosti zubů pro dané použití se vytvoří ze vzorců řešení pro všechny parametry tepelného zpracování. Ostatní typy nebo tvary ozubených kol, jako jsou ozubená kola, jejichž osy zubů se křižují, protínají a neprotínají, to jest hypoidní ozubená kola, nemají konstantní velikosti zubů, a proto nemohou vyhovět uvedeným vzorcům.

U dřívějšího patentu autorů předloženého vynálezu využívá matematický algoritmus parametrů ozubeného kola, jako je tak zvaná průměrová rozteč ozubení. Tento způsob je založen na rovnoměrném dimenzování každého zubu od paty k hlavě. Umístění obrobku v indukčních cívkách a rovnoměrnost ohřevu napříč a skrz obrobek z vnitřního průměru k vnějšímu průměru odráží skutečnost rovnoměrného dimenzování zubů. I když indukční kalení ozubených kol s rovnoběžnými osami zubů bylo zcela dostačující podle tohoto známého způsobu a stroje, uvedených v patentu US 4 845 328, bylo zjištěno, že ozubená kola s křižujícími se, protínajícími se a neprotínajícími se osami zubů vytvářejí jedinečnou situaci v důsledku změny (zvětšení) hmoty zubů od hlavy k patě. Jako příklad se uvádí hypoidní se používá v jakémkoli vozidle s hnanou zadní s pohonem na čtyři kola nebo v nákladním automobilu, které má nestejnoměrnou geometrii od paty k hlavě zubu. Navíc ke spirálovému typu zakřivení jednotlivých zubů se hmota zvětšuje u každého zubu z vnějšku od hlavy k patě.

soukolí, které nápravou nebo

Autoři předloženého vynálezu poukazují na tuto jedinečnou situaci hypoidních ozubených kol (a příslušných ozubených kol s křižujícími se, protínajícími se a neprotínajícími se osami zubů) v patentu US 5 124 517, uděleném 23. 6. 1992 Stormovi a kol.

Rovněž bylo zjištěno, že určité úvahy při výrobě, stejně jako určité geometrie hypoidních ozubených kol, mohly být základem pro různá provedení indukční cívky a pro mírpě odlišné umístění indukční cívky vůči ozubenému kolu. Například, když je úhel hlavového kužele ozubeného kola menší než normální, může být vhodnější kuželová indukční cívka vystředěná nad obrobkem než v podstatě válcová indukční cívka ustavená pod určitým úhlem. Pro větší ozubená kola a pro větší výrobní série by mohlo být výhodnější mít cívku s pevným úhlem sklonu na rozdíl od proměnného mechanického připojení indukční cívky, které fixuje indukční cívku v požadovaném sklonu vůči povrchu zubů obrobku.

Bez ohledu na specifické provedení indukční cívky ne)oo geometrii nebo její polohu vůči obrobku, je úkolem vynálezu uspořádat indukční cívku tak, že magnetické působení, a tudíž i teplo, je větší v patě zubů, kde je kovová hmota větší, než v hlavě zubů, kde je kovová hmota menší.

Úkolem vynálezu rovněž je indukčního kalení ozubených protínajícími se a neprotínajícími vytvořit zlepšený kol s křižujícími se osami zubů.

způsob se,

Podstata vynálezu vé a

ou ky

Tento úkol splňuje kalení ozubených kol s neprotínajícími se osami je, že sestává z držáku indukční kalicí stroj pro obryso křižujícími se, protínajícími . se zubů, podle vynálezu, jehož podstat pracoviště, který má nosné prostřed vytvořené a uspořádané pro uložení ozubeného kola určeného k indukčnímu kalení a dále obsahující otočné hnací vřeteno připevněné k nosným prostředkům, přičemž hnací vřeteno má geometrickou osu otáčení, z vysokofrekvenční indukční cívky, která má v podstatě kuželovou plochu přivrácenou k ozubenému kolu a středovou osu, přičemž indukční cívka je umístěna nad držákem pracoviště a orientována tak, že její středová osa je v podstatě shodná s geometrickou osou otáčení hnacího vřetena, a z budicích prostředků elektricky připojených k vysokofrekvenční indukční cívce pro vybuzení této indukční cívky.

dále splňuje způsob indukčního kalení s křižujícími se, protínajícími se se osami zubů, podle vynálezu, jehož z uspořádání v podstatě vysokof rekvenční kuželovou plochu

Tento úkol ozubených kol a neprotínajícími podstatou je, že sestává indukční cívky, která má přivrácenou k ozubenému ozubeného kola určeného ozubené kolo má úhel kolu a středovou osu, z ustavení k indukčnímu kalení, přičemž toto hlavového kužele a axiální osu, z orientování vysokofrekvenční indukční cívky nad ozubeným kolem tak, že její středová osa a axiální osa jsou v podstatě shodné, z připojení vysokofrekvenční indukční cívky ke zdroji vysokofrekvenční elektrické energie, ze zvolení úrovně příkonu a délky impulsů pro ozubené kolo určené k indukčnímu kalení a z vybuzení vysokofrekvenční indukční cívky zvolenými úrovněmi příkonu a délkami impulsů.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje blokové schéma hlavních komponent indukčního kalicího stroje určeného pro indukční kalení ozubených kol podle typického provedení podle vynálezu, obr. 2 v nárysu část pracoviště indukčního kalicího stroje z obr. 1, obr. 2A schematicky v nárysu úhel sklonu indukční cívky vůči úhlu sklonu horní plochy zubu ozubeného kola, obr. 3 schematicky v nárysu přesazení indukční cívky vůči ozubenému kolu, obr. 4 schematicky v půdorysu přesazení indukční cívky vůči ozubenému kolu, obr. 5 schematicky v řezu detail indukční cívky z obr. 3, obr. 6 schematicky v nárysu a řezu alternativní provedení indukční cívky určené pro indukční kalení pastorku, podle vynálezu, a obr. 7 v nárysu a řezu alternativní provedení indukční cívky umístěné nad ozubeným kolem podle jednoho provedení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Za účelem lepšího pochopení principů vynálezu budou nyní popsána provedení znázorněná na výkresech, přičemž při jejich popisu budou používány specifické výrazy. Nicméně je samozřejmé, že tím není zamýšleno žádné omezení rozsahu vynálezu, přičemž různé změny a další modifikace znázorněného zařízení a další aplikace principů znázorněného vynálezu se považují za běžný zásah odborníka v oblasti, které se vynález týká.

Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma hlavních komponent indukčního kalicího stroje 20 pro indukční kalení ozubených kol s křižujícími se, protínajícími se a neprotínajícími se osami zubů, jako jsou hypoidní ozubená kola, a jejich vzájemných spojení. Další odkazy na hypoidní ozubená kola se týkají vždy pouze jednoho příkladu z těchto tří kategorií ozubení, pro něž je vynález primárně určen. Tímto jediným reprezentativním příkladem není zamýšleno žádné omezení širšího rozsahu a použitelnosti vynálezu. Indukční kalicí stroj 20 obsahuje programovatelnou logickou řídicí jednotku 21 (PLC), vysokofrekvenční generátor 22 (R.F.) a pracoviště

23. Programovatelná logická řídicí jednotka 21 je řízena počítačem 24 a diskovou jednotkou 25, jejichž spojení pro přenos informací je provedeno tak, jak je znázorněno. Datový vstup může být rovněž vytvořen blokem 24a. který by mohl být například manuálním vstupem dat. Tento vstup dat by mohl být upraven navíc k diskové jednotce 25 nebo místo vstupu diskové jednotky 25. Čárkovaně naznačený blok připojený k pracovišti 23 je určen pro ilustraci konstrukčního provedení z komponent umístěných na pracovišti 23. Jak již bylo uvedeno, pracoviště 23 obsahuje indukční cívku 26, hypoidní ozubené kolo 27 (obrobek), nosnou desku 28, hnací vřeteno 29 a hnací motor 30 (viz obr. 2).

Jedna možná volba řídicích obvodů vysokofrekvenčního generátoru 22 je představována blokem 21a. který je vytvořen podle přihlášky vynálezu US č. 563 398, přihlášené 6. 8. 1990. Tato přihláška vynálezu se tímto výslovně uvádí pro úplnost svého obsahu. Jak je znázorněno, řídicí obvody představované blokem 21a přijímají vstupní signály z počítače 24.

Jak je znázorněno na obr. 2, je obrobkem podle výhodného provedení hypoidní ozubené kolo 27, které je uloženo na nosné desce 28.· Hypoidní ozubené kolo 27 představuje jeden z typů kuželových ozubených kol a předložený vynález je tedy použitelný pro kuželová ozubená kola všeobecně. Hnací vřeteno

29. které je středově připojeno ke spodní straně nosné desky 28. je přímo připojeno k hnacímu motoru 30. Hypoidní ozubené kolo 27 je opatřeno na své v podstatě rovné spodní straně předvrtanou dírou. Hypoidní ozubené kolo 27 má horní plochu 27a, která je v podstatě vodorovná, když je hypoidní ozubené kolo 27 uloženo na nosné desce 28, a horní plocha 27a odpovídá nejvnitřnější části horní části hypoidního ozubeného kola

27. Tuhý polohovací čep 28a je součástí nosné desky 28 a vystupuje směrem vzhůru z její horní plochy 31. Hypoidní ozubené kolo 27 je pevně připojeno k nosné desce 28 tím, že polohovací čep 28a je vložen do předvrtané díry. Když je hnací motor 30 v činnosti, otáčí hnacím vřetenem 29 vysokou frekvencí otáčení, přičemž hnací vřeteno 29 zase otáčí nosnou deskou 28 a hypoidním ozubeným kolem 27. Frekvence otáčení je v rozsahu přibližně 900-1800 min“¹, přičemž vhodným hnacím motorem 30 je Setco bottom drive, model č. SPL 6100.5-18M.

Otočný pohyb udělovaný hypoidnímu ozubenému kolu 27 je jedním z požadavků na provedení indukčního kalicího stroje 20. jako prostředek pro zprůměrování jakýchkoli mírných výchylek polohy. Dalším požadavkem na provedení indukčního kalicího stroje 20 je ustavení polohy indukční cívky 26 vůči hypoidnímu ozubenému kolu 27. Jak je znázorněno na obr. 2, 2A a 3, rje horní plocha 27a hypoidního ozubeného kola 27 v podstatě vodorovná, stejně jako horní plocha nosné desky 28. Nicméně, hypoidní ozubené kolo 27 má úhel hlavového kužele, který tvoří sklon povrchu zubů podél povrchové přímky 27b (obr. 2Aj), přičemž horní plocha 27a je ohraničena pouze horními a nejvnitřnějšími okraji zubů. Úhel hlavového kužele je ostrým úhlem mezi povrchovou přímkou 27b a svislou přímkou 27c. Vrcholový úhel, který se rovná úhlu hlavového kužele, je tedy úhlem mezi povrchovou přímkou 27b a svislou osou 27d. U provedení na obr. 2A je indukční cívka 26 umístěna s určitým sklonem a je uspořádána vůči obrobku, to jest hypoidnímu ozubenému kolu 27, excentricky. Tím je způsoben ohřev pouze malé části hypoidního ozubeného kola 27. V důsledku toho je pro rovnoměrné ohřátí celého hypoidního ozubeného kola 27 zapotřebí vysoké frekvence otáčení. Protože magnetické spojení přes indukční cívku 26 existuje pouze v části hypoidního ozubeného kola 27. je velikost hypoidního ozubeného kola 27. které má být indukčně kaleno tímto způsobem, omezena, jestliže je zapotřebí dosáhnout téměř optimálních výsledků indukčního kalení.

Úhel Θ sklonu indukční cívky 26 znamená, že tato indukční cívka 26 je blíže k patě zubů hypoidního ozubeného kola 27 a dále od hlavy na jedné straně, kde je indukční cívka 26. nejblíže hypoidnímu ozubenému kolu 27. Tím vznikne ostrý úhel a, který je vytvořen mezi dolní plochou 26a indukční cívky 26. a plochou zubu hypoidního ozubeného kola 27, která definuje vrcholový úhel čelní strany hypoidního ozubeného kola 27, a v níž leží povrchová přímka 27b. Pata zubu tvoří větší část hmoty z celé hmoty zubu a indukční ohřev začíná v tomto místě v důsledku blízkosti indukční cívky 26.· Teplo z paty se přenáší do hlavy, když indukční cívka 26 navíc ještě ohřívá hlavu, zatímco pokračuje ohřev paty zubu. Kdyby indukční cívka 26 nebyla uspořádána pod určitým sklonem, byla by hlavová část zubu příliš horká, zatímco zbylá hmota patní části zubu by se ještě ohřívala na požadovanou teplotu. Úhel a, který vznikne ve skutečnosti vhodnou volbou úhlu Θ, se zvolí tak, že magnetické spojení, a tudíž i ohřev, je větší v patě zubu, kde je kovová hmota větší, než v hlavové části zubu, kde je kovová hmota menší.

Na optimální velikost úhlu g má vliv několik geometrických faktorů hypoidního ozubeného kola 27. Mezi tyto faktory patří například vrcholový úhel a úhel stoupání šroubovice, avšak konečnou hodnotou je velikost změny hmoty od paty zubu k jeho hlavě, která určuje úhel Θ sklonu a úhel a. Provedení podle obr. 2 je zaměřeno spíše na mechanická hlediska ustavení polohy a na upevnění, zatímco provedení podle obr. 2A a 3 je zaměřeno na polohovou geometrii a vzájemné vztahy.

Na obr. 2A a 4 je znázorněno přesazení indukční cívky 26 vůči hypoidnímu ozubenému kolu 27. Malé přesazení zkombinované s vysokou frekvencí otáčení hypoidního ozubeného kola 27 zajišťuje stejnoměrnost indukčního ohřevu a zaručuje to, že všechny zuby budou indukčním ohřevem náležitě ohřátý. Vzduchová mezera mezi indukční cívkou 26 a čelní stranou hypoidního ozubeného kola 27 se mění v rozsahu od přibližné 2,54 mm na patě zubu do přibližně 22,9 mm na hlavě zubu. Indukční cívka 26, která má v podstatě tvar prstence, je nakloněna nebo posunuta do jedné strany od středu hypoidního ozubeného kola 27. Toto posunutí do jedné strany od středu je schematicky znázorněno v nárysu na obr. 2A a v půdorysu na obr. 4.

K indukční cívce 26 je připojeno kalicí zařízení 35 táto kombinace je prostřednictvím prodlouženého ramena 32 nosného upínacího ústrojí 33 připevněno k nosnému sloupku 34. Rameno 32 je pevně připojeno jako prodloužení k indukční cívce 26 a je upevněno k upínacímu ústrojí 33 pro zajištění požadované orientace indukční cívky 26 v požadované poloze a jejího sklonu vůči hypoidnímu ozubenému kolu 27. Ke konzole 35b tvaru L je připevněn plastový kroužek 35a. který je zase připevněn k upínacímu ústrojí 33.· Tento plastový kroužek 35a dodává kombinaci indukční cívky 26 a kalicího zařízení 35 přídavnou tuhost. Po náležitém ustavení hypoidního ozubeného kola 27 v potřebné poloze a po jeho připojení pomocí polohovacího čepu 28a k nosné desce 28 a po bezpečném upnutí indukční cívky 26 v potřebné poloze pod určitým sklonem může začít proces indukčního kalení. První operací indukčního kalení je vybuzení hnacího motoru 30 pro otáčení hypoidního ozubeného kola 27 vysokou frekvencí otáčení. Jako jeden příklad pro určitou velikost hypoidního ozubeného kola 27 a výkonu vysokofrekvenčního generátoru 22 se uvádí frekvence ^-1. Ohřev hypoidního cívkou 26 začne Čtyřmi malém výkonu dodávanými Vysokofrekvenční generátor otáčení v rozsahu od 900 do 1800 min ozubeného kola 27 indukční vysokofrekvenčními impulsy o vysokofrekvenčním generátorem 22 22 je jednotkou o výkonu 650 kW pracující s frekvencí v rozsahu od 230 do 280 kHz. Čtyři impulsy o malém výkonu jsou dodávány s 30% výkonem z uvažovaných 650 kW. První impuls má délku 4 sekundy a po něm následuje prodleva 2 sekundy mezi prvním a druhým impulsem. Druhý impuls má délku 5 sekund a po něm následuje další prodleva 2 sekundy mezi druhým a třetím impulsem. Třetí a čtvrtý impuls mají vždy délku 6 sekund a mezi nimi je prodleva 2 sekund.

Po čtvrtém impulsu malého výkonu následuje prodleva o délce 8 sekund, než začne působit jediný impuls o vysokém výkonu jako impuls pro konečný ohřev. Výkon tohoto impulsu pro konečný ohřev je nastaven na 79 % celkového výkonu 650 kW vysokofrekvenčního generátoru 22. Tento poslední impuls má délku přibližně 2,65 sekundy a po něm ihned následuje (bez prodlevy nebo zpoždění) začátek kalení.

Kalicí kapalina je dodávána na hypoidní ozubené kolo 27 kalicím zařízením 35 vytvořeným ve spolupráci s indukční cívkou 26. Kalicí zařízení 35 je připojeno k indukční cívce 26. přičemž část kalicího zařízení 35 je uspořádána nad indukční cívkou 26 a jeho vypouklá část 36 prochází středem indukční cívky 26. K horní tvarovce 38 s více hrdly jsou připojeny čtyři fitinky 37 kalicího zařízení 35. Vnitřní průchody umožňují průchod kalicí kapaliny z těchto čtyř fitinků 37 do vypouklé části 36, kde je přímo nad čelní stranou hypoidního ozubeného kola 27 uspořádána řada výstupů (otvorů) pro kalicí kapalinu. Úplného a rychlého zakalení je dosaženo pomocí vypouklé části 36 kalicího zařízení 25. Tato vypouklá část 36 má jednak kruhový tvar a jednak určitý sklon, takže velký počet výstupů kalicí kapaliny je nasměrován na všechny části povrchů zubů hypoidního ozubeného kola 27. Ačkoli je vypouklá část 36 rovněž ustavena pod určitým sklonem vůči hypoidnímu ozubenému kolu 27, zajišťuje nízká frekvence otáčení hypoidního ozubeného kola 27 dokonce i při rychlém kalicím cyklu rovnoměrné zakalení všech zubů hypoidního ozubeného kola 27.

Nádrž 40 s kalicí kapalinou je spojena s fitinky 37 čtyřmi přívodními hadicemi 39 (viz obr. 2). Všechny čty^i přívodní hadice 39 mají světlý průměr 25,4 mra a obsah nádrže 40 na kalicí kapalinu je 568 litrů. Vhodným kalicím médiem pro tento případ je kalicí voda E. F. Houghton 364, která je roztokem glykolu v množství od 5 do 10 %.

Při ohřevu s malým výkonem a ohřevu s velkým výkonem zůstává svislá poloha hypoidního ozubeného kola 27 vůči indukční cívce 26 stejná. V průběhu kalení se může svislá osa hypoidního ozubeného kola 27 vůči indukční cívce 26 mírpě přemísťovat, aby se kalení usnadnilo. Když je kalení dokončeno, sejme se hypoidní ozubené kolo 27 z nosné desky 28. indukční kalicí stroj 20 se vynuluje a je připraven pro indukční kalení dalšího hypoidního ozubeného kola 27.

logická řídicí jednotka 21 řídí generátor 22 a přívod kalicí kapaliny a dodávky. Na ovládacím pultu se provádějí řídicí úkony a vstup dat pro činnost

Programovatelná vysokofrekvenční ovládá časování všechny potřebné programovatelné logické řídicí jednotky 21, ačkoli v důsledku řízení počítačem 24 Programovatelná logická požadovaných impulsů z je zasahování obsluhy minimální, řídicí jednotka 21 řídí působení vysokofrekvenčního generátoru 22. velikost jejich výkonu a jejich délku. Počet impulsů o malém výkonu se zvolí rovněž buď obsluhou prostřednictvím ovládacího pultu nebo počítačovým programem, založeným na parametrech hypoidního ozubeného kola 27, pro ovládání toho, čím indukční cívka 26 působí.

Na obr. 5 je znázorněn řez jednou stranou indukční cívky 26. Indukční cívka 26 má v podstatě válcový tvar, avšak má šikmou horní plochu 50 a na své spodní straně 52 osazenou plochu 51. Na šikmé horní ploše 50 a na vnější ploše 54 a vnitřní ploše 55 indukční cívky 26 je umístěna vrstva 53 pro koncentrování magnetického toku. Tato vrstva 53 je provedena z práškové oceli zalité v plastu.

Na obr. 6 je znázorněno v řezu alternativní provedení indukční cívky 60., určené pro indukční kalení pastorku 61. Tento pastorek 61 se liší od většího hypoidního ozubeného kola 27 podle obr. 2 a 3 tím, že má nerovnoměrně provedené zuby, jejichž hmota se mění od jednoho konce zubu k opačnému konci, přičemž zuby se rozkládají po stranách na rozdíl od hypoidního ozubeného kola 27, kde se rozkládají napříč jeho horní plochy. V důsledku toho musí být indukční cívka 60 umístěna kolem pastorku 61, na rozdíl od uspořádání indukční cívky 26 nad hypoidním ozubením kolem 27.

Pastorek 61 má zakřivené (šroubovicové) zuby 62, jejichž hmota se zvětšuje od hlavy 63 k patě 64. Vzhledem k tomu je podle předloženého vynálezu vnitřní plocha 65 indukční cívky 60 provedena jako kuželová tak, že indukční cívka 60 je blíže k větší hmotě zubů 62 u jejich paty 64 a dále od jejich hlavy 63. Pastorek 61 se otáčí vysokou frekvencí otáčení a výška indukční cívky 60 se rozkládá po celé výšce jeho zubů 62. Zbývající část provedení a funkce konstrukce podle obr. 1 je použitelná i pro konfiguraci indukční cívky 60 a pastorku 61 podle obr. 6 v podstatě stejným způsobem jako u konfigurace podle obr. 2. Jediným skutečným rozdílem mezi provedením podle obr. 2 a podle obr. 6 je navíc k provedení a umístění indukční cívky 60 umístění kalicího zařízení vůči indukční cívce 60. Protože pastorek 61 je u provedení podle obr. 6 umístěn uvnitř indukční cívky 60, musí být kalicí zařízení umístěno nad a kolem pastorku 61 s výstupy pro kalicí kapalinu nasměrovanými na zuby 62.

S odkazem na dřívější rozbor provedení podle obr. 2A bude nyní popsáno provedení podle obr. 7, na němž je znázorněno hypoidního přívodních odlišné vzájemné uspořádání indukční cívky 70 a obrobku, tomto případě rovněž hypoidního ozubeného kola 27. U tohoto provedení podle vynálezu má indukční cívka 70 v podstatě kuželovou dolní plochu 71 uspořádanou v podstatě koncentricky s hypoidním ozubeným kolem 27. Znázorněná osa 70a představuje axiální středovou osu hypoidního ozubeného kola 27 a indukční cívky 70. Úhel g je zachován stejně jako u provedení podle obr. 2A, aby se mohlo měnit magnetické spojení a aby se vytvářelo větší množství tepla v patě 72 zubu, kde je kovová hmota větší než v hlavě 73 zubu hypoidního ozubeného kola 27. Pomocí v podstatě kuželového provedení a koncentrického uspořádání indukční cívky 70 dochází k ohřevu kolem celého ozubeného kola 27 kromě velmi malé části u vedení do indukční cívky 70. U provedení podle obr. 7 se používá nižší frekvence otáčení a tímto způsobem mohou být indukčně kalena (tepelně zpracována) větší hypoidní ozubená kola 27, protože magnetického spojení je dosaženo v podstatě úplně kolem celé čelní plochy hypoidního ozubeného kola 27.

Mezi provedeními podle obr. 2A nebo podle obr. 7 může byt dávána přednost provedení podle obr. 2A pro laboratorní pokusy a pro součásti s krátkou dobou zpracování, protože úhel g může být snadno nastaven. To by mělo být zřejmé z mechanické konstrukce podle obr. 2, u níž jsou pro připevnění indukčfti cívky 26 v kombinaci s kalicím zařízením 35 k nosnému sloupku 34 použity prodloužené rameno 32 a upínací ústrojí 33.

Když má být tepelně zpracováno velké množství součásti například množství vyrobené na výrobní lince, může provedení podle obr. 7 výhodnější, protože jakmile u kuželovitého tvaru indukční cívky 70 jednou úhel g dán zůstane jeho hodnota stejná a nebude se měnit. V důsledku toh se úhel g nemůže neúmyslně při činnosti zásahem obsluhy neb¹ neopatrností nijak změnit. Provedení podle obr. 7 umožňuj bý je /

o o

e dosažení účinnějšího magnetického spojení a je výhodnější pro větší hypoidní ozubená kola 27. I když to nemusí nutně působit negativně, vyžaduje provedení podle obr. 7 vždy uspořádání nové indukční cívky 70 pro každý požadovaný odlišný úhel a, takže možnost různého mechanického upevnění, kterým by obsluha mohla změnit úhel a, zde neexistuje.

Provedení podle obr. 7 je výhodné rovněž tehdy, když je úhel hlavového kužele hypoidního ozubeného kola 27 relativně malý. Při zvětšování tohoto úhlu hlavového kužele pokusy ukázaly, že uspořádání podle obr. 2, 2A a 3 jsou výhodnější. Pravděpodobným přechodem mezi oběma provedeními ' by mohl být úhel hlavového kužele v rozsahu mezi 30 a 35 stupni.

Jak již bylo objasněno a popsáno, protože hmota patní části je větší než hmota hlavové části každého zubu hypoidního ozubeného kola 27, je šikmé uspořádání indukční cívky 26 podle obr. 2, 2A a 3 výhodnější. Když jsou hmoty patní části a hlavové části zubu rovnoměrnější, je výhodné provedení podle obr. 7. Je tedy zřejmé, že když se úhel hlavového kužele zvětšuje, zvětšuje se rovněž hmota patní části oproti hlavové části zubu, takže je zapotřebí koncentrovat indukční spojení na patní část, což znamená koncentrovat zde větší část tepelné energie, na rozdíl od hlavové části, která má relativně menší hmotu.

I když byl vynález popsán a znázorněn podle přiložených výkresů, jsou výše popsaná provedení pouze ilustrativní a tudíž nijak omezující, přičemž je zřejmé, že popsaná a znázorněná provedení jsou pouze výhodnými provedeními a v rámci vynálezu je možno provádět různé změny a úpravy, aniž by došlo k vybočení z jeho rozsahu.

Claims (6)

1. Indukční kalicí stroj pro obrysové kalení ozubených kol s křižujícími se, protínajícími se a neprotínajícími se osami zubů, vyznačující se tím, že sestává z držáku pracoviště, který má nosné prostředky vytvořené a uspořádané pro uložení ozubeného kola určeného k indukčnímu kalení a dále obsahující otočné hnací vřeteno připevněné k nosným prostředkům, přičemž hnací vřeteno má geometrickou osu otáčení, z indukční cívky, která má v podstatě kuželovou plochu přivrácenou k ozubenému kolu a středovou osu, přičemž indukční cívka je umístěna nad držákem pracoviště a orientována tak, že její středová osa je v podstatě shodná s geometrickou osou otáčení hnacího vřetena, a z budicích prostředků elektricky připojených indukční cívce pro vybuzení této indukční cívky.

2. Indukční kalicí stroj podle nároku 1, vyznaču jící se tím, že indukční cívkou je vysokofrekvenčn indukční cívka.

3. Kombinace hypoidního ozubeného kola určeného pro indukční kalení, které má v podstatě rovnou čelní stranu a zuby, přičemž každý zub má patní část a hlavovou část horní plocha zubu definuje vrcholový úhel, a přičemž hypoidní ozubené kolo má axiální osu, a indukčního kalicího stroje pro obrysové kalení hypoidního ozubeného kola, vyznačuj í c í se t í m, že indukční kalicí stroj sestává z držáku pracoviště, který má nosné prostředky pro uložení ozubeného kola, obsahující otočné hnací vřeteno připevněné k nosným prostředkům, přičemž hnací vřeteno má geometrickou osu otáčení, z indukční cívky, která má v podstatě kuželovou plochu přivrácenou k ozubenému kolu a středovou osu, přičemž indukční cívka je umístěna nad držákem pracoviště a orientována tak, že její středová osa je v podstatě shodná s geometrickou osou otáčení hnacího vřetena, a z budicích prostředků elektricky připojených k indukční cívce pro vybuzení této indukční cívky.

4. Kombinace podle nároku 3,vyznačující se tím, že plocha indukční cívky přivrácená k hypoidnímu ozubenému kolu a plocha zubu hypoidního ozubeného kola spolu svírají ostrý úhel.

5. Kombinace podle nároku 4,vyznačující se tím, že indukční cívkou je vysokofrekvenční indukční cívka.

6. Způsob indukčního kalení ozubených kol s křižujícími se, protínajícími se a neprotínajícími se osami zubů, vyznačující se tím, že sestává z (a) uspořádání vysokofrekvenční indukční cívky, která má v podstatě kuželovou plochu přivrácenou k ozubenému kolu a středovou osu, (b) ustavení ozubeného kola určeného k indukčnímu kalení, přičemž toto ozubené kolo má úhel hlavového kužele a axiální osu, (c) orientování vysokofrekvenční indukční cívky nad ozubeným kolem tak, že její středová osa a axiální osa jsou v podstatě shodné, (d) připojení vysokofrekvenční indukční cívky ke zdroji vysokofrekvenční elektrické energie, (e) zvolení úrovně příkonu a délky impulsů pro ozubené kolo určené k indukčnímu kalení a (f) vybuzení vysokofrekvenční indukční cívky zvolenými úrovněmi příkonu a délkami impulsů.