DE102004038247B3

DE102004038247B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse

Info

Publication number: DE102004038247B3
Application number: DE102004038247A
Authority: DE
Inventors: Rolf Josef Schwartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Schwartz GmbH
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: ATE361158T1; EP1627696A1; DE502005000649D1; EP1627696B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse, in der die Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein gasdichtes und wärmeisoliertes Ofengehäuse (50) umfasst, welches wenigstens eine Beschickungs- und Entnahmeöffnung (70) mit einem Ofendeckel (40) aufweist, und dass innerhalb des Ofengehäuses ein Pralldüsenfeld (20) angeordnet ist, in dessen Bereich ein Werkzeug (90) einbringbar ist, und dass die Vorrichtung (10) mit einer Heizeinrichtung (100) versehen ist, welche ein Fluid erwärmt, das durch die Öffnungen (110) des Pralldüsenfelds (20) strömt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse, in der die Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse.
Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich insbesondere zur Erwärmung und zum Warmhalten von Werkzeugen aus Stahl für das Strangpressen von Aluminium, Buntmetall und ähnliche Legierungen.

Beim Strangpressen von Materialien zu Profilen ist es erforderlich, die dazu verwendeten Werkzeuge zuvor auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen. Wird Aluminium mittels Strangpressen zu Profilen verarbeitet, wie es beispielsweise für Fensterprofile der Fall ist, liegt die erfoderliche Temperatur der Werkzeuge im Bereich von 400°C bis 550°C. Die Erwärmung der Werkzeuge sollte möglichst gleichmäßig und schnell erfolgen, damit der thermische Verzug, die Oxidation und die Abstickung möglichst gering bleiben und das Werkzeug schnell bereitgestellt werden kann. Bei den Werkzeugen handelt es sich in der Regel um Rundelemente mit filigranen Öffnungen, die aus höherfestem Stahl und aus mehreren hintereinander verbundenen Platten bestehen.

Die Erwärmung der Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erfolgt herkömmlicherweise mit Hilfe eines Strahlungs- oder Konvektionsofens. Dabei kommen Kammer- oder Truhenofen zur Anwendung, in welchem sich jeweils ein oder mehrere Werkzeuge befinden. Die Beheizung der Öfen erfolgt in der Regel mit elektrischen Widerständen, durch Gasflammen oder durch eine Kombinatione dieser Heizeinrichtungen.

Diese herkömmlichen Erwärmungsverfahren sind mit spezifischen Nachteilen behaftet. Das Erwärmen der Werkzeuge mit Hilfe eines Strahlungs- oder Konvektionsofens führt durch die bei dieser Temperatur physikalisch bedingten niedrigen erreichbaren Wärmeübergangszahlen zu relativ langen Aufheizzeiten. Ferner sind große Öfen erforderlich, welche wiederum zu einem großen Flächenbedarf und zu hohen Leerverlusten führen, da die Ofenwandverluste proportional zur Oberfläche sind. Darüber hinaus wird eine große Innenfläche des Ofens auf Erwärmungstemperatur erwärmt, die nach Einstellen des Betriebes wieder abkühlt, ohne dass diese Wärme wiedergewonnen werden kann.

In den genannten Öfen erfolgt die Erwärmung der Werkzeuge zudem nur langsam, da der Wärmeübertragungskoeffizient vergleichsweise gering ist. Bei einer Strahlungsheizung entsteht oftmals das Problem der Überhitzung filigraner Elemente des Werkzeugs, da Heizstrahler eine typische Temperatur von etwa 800°C haben und dadurch unerwünschte Temperaturgradienten im Werkzeug erzeugen. Vielfach wird auch die Technik der Magnetfelderwärmung benutzt, die gleichfalls den Nachteil der schwierigen Temperaturverteilung aufweist. Ferner ermöglicht die Magnetfelderwärmung nicht den Einsatz von Schutz- oder Reaktionsgas und die Technik bedingt hohe Anschaffungskosten. In Mehrfach-Werkzeugöfen kommt es häufig ferner vor, dass kalte Werkzeuge neben durchwärmte eingesetzt werden und diese dann an filigranen Elementen unzulässig abkühlen. Dies kann zum Werkzeugbruch beim Anpressen führen, was ebenfalls hohe Kosten verursacht.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 529 198 A2 ist beispielsweise ein Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bekannt, der insbesondere zur Erwärmung von Extrusionsformen für Aluminium oder Legierungen davon geeignet ist. Der Ofen weist mehrere Kammern auf, in welche jeweils eine zu erwärmende Form eingebracht werden kann. Die Erwärmung erfolgt durch elektrische Widerstände und vorzugsweise in einer Atmosphäre, die frei von Sauerstoff ist, um die Oxidation der Formoberflächen zu verhindern. Jede Kammer kann schubladenartig geöffnet werden, so dass durch die Entnahme eines Werkstücks der Zustand in den anderen Kammern nicht beeinflusst wird.

Die US-Patentschrift US 4,580,973 offenbart ferner einen Brennofen zum Brennen von Keramikwaren mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung. In den Brennofen wird ein heißer Gasstrom eingeleitet, der mit hoher Geschwindigkeit durch den Ofen strömt. Um die Keramikwaren in der Nähe der Einströmöffnung nicht durch zu hohe Hitze zu beschädigen, weist der Brennofen hinter der jeweiligen Einströmöffnung eine Ablenkplatte vor, welche den Gasstrom parallel entlang der Wände des Ofens führt. Dadurch kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Ofens erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erwärmung und zum Warmhalten von Werkzeugen für das Strangpressen von Materialien bereitzustellen, das die Nachteile bekannter Öfen vermeidet. Insbesondere soll die Vorrichtung einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten realisieren, eine gleichmäßige Erwär mung der Werkzeuge ermöglichen und dabei wenig Platz beanspruchen.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Erwärmung von Werkzeugen für das Strangpressen von Materialien bereitzustellen, bei dem die Materialien möglichst schnell und gleichmäßig aufgeheizt werden, wobei das Verfahren wenig Energie benötigt und die chemischen Eigenschaften des Werkzeugstahls so wenig wie möglich negativ verändert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–7 und 9–12.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse, in der die Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden, umfasst ein gasdichtes und wärmeisoliertes Ofengehäuse, welches wenigstens eine Beschickungs- und Entnahmeöffnung mit einem Ofendeckel aufweist. Innerhalb des Ofengehäuses ist ein Pralldüsenfeld angeordnet, in dessen Bereich ein Werkzeug einbringbar ist. Die Vorrichtung ist ferner mit wenigstens einer Heizeinrichtung versehen, welche ein Fluid erwärmt, dass durch die Öffnungen des Pralldüsenfelds strömt. Die Vorrichtung wird vorzugsweise mit Schutz- oder Reaktionsgas betrieben. Diese Gasatmosphäre innerhalb der Anlage ist zum Schutz gegen Oxidation oder andere unerwünschte chemische Beeinflussungen vorgesehen. Beispielsweise verhindert sie den Abbau der Nitrierschicht.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens einen Ventilator zum Umwälzen des Fluides durch die Heizeinrichtung und das Pralldüsenfeld auf. Die Ventilatoren können das verwendete Fluid beispielsweise auf Düsenaustrittsgeschwindigkeiten von ca. 20–100 m/s beschleunigen. Die Zuführung des Fluides an die Werkzeuge erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels Düsen, durch die sich Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des Fluides so gestalten lassen, dass beim Auftreffen auf das Werkzeug eine maximale Wärmeübertragungsleistung realisiert wird. Die Prallstrahlen treffen dabei vorzugsweise senkrecht oder in einem Winkel von 80° bis 100° zur Oberfläche auf die Werkzeuge auf.

Die Heizeinrichtung kann auf verschiedene Arten beheizt werden. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Prallstrahlenofen direkt oder indirekt zu beheizen. Dies kann beispielsweise mit elektrischen Widerstandselementen oder mit Hilfe eines oder mehrerer mit Brennstoff betriebenen Brenner erfolgen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass das Pralldüsenfeld thermostatisch auf einer Temperatur haltbar ist, die oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkzeuge liegt. Dabei liegt die Temperatur des Fluides beispielsweise etwa 10 bis 100°C oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkzeuge.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in die Strangpresse, bei dem die Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden. Dabei werden die Werkzeuge in eine Vorrichtung eingebracht, welche ein Pralldüsenfeld aufweist, in welchem die Werkzeuge mindestens auf die vorgegebene Temperatur erwärmt werden. Nach der Erwärmung wird das Werkzeug in eine Presse eingebracht. Das verwendete Fluid wird vorzugsweise durch Heizeinrichtungen erwärmt und strömt mittels einer oder mehrerer Ventilatoren durch Düsenöffnungen auf ein oder mehrere Werkzeuge. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jeweils nur ein Werkzeug in die Vorrichtung eingebracht, in dieser erwärmt und auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten.

Die Erfindung wendet sich ab von Ein- oder Mehrwerkzeugöfen mit Konvektions- oder Strahlungserwärmung und nutzt stattdessen ein Düsenfeld mit Prallstrahlen, das für den relevanten Temperaturbereich sehr gute Voraussetzungen mitbringt. Die Verwendung eines Prallstrahlenofens bringt verschiedene Vorteile mit sich. Beispielsweise ist die Prallstrahlenerwärmung unkritisch bezüglich Übertemperaturen mit der Folge zu großer Temperaturgradienten. Ferner ist die Erwärmung mit Prallstrahlen einfach durchführbar und ist in ihrer Handhabung erprobt. Darüber hinaus stellt sie eine kostengünstige Erwärmungstechnik dar.

Der bedeutendste Vorteil eines Prallstrahlenofens liegt in dem sehr guten und gleichmäßigen Wärmeübergang zwischen Düsenfeld und Werkzeug, der durch den hochturbulenten Kontakt zwischen Werkzeugoberfläche und Prallfluid realisiert wird. Wärmeübergangszahlen von bis zu 150 W/m²h sind mit dieser Erwärmungsart gegenüber ca. 50 W/m²h bei normaler Konvektion oder Strahlung erreichbar.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Truhenofen ausgeführt, in welchen jeweils nur ein Strangpresswerkzeug eingebracht wird, können die Abmaße gering gehalten werden. Ferner wird die Erwärmung der Werkzeuge nicht durch kalte Werkzeuge in der Nähe bereits erwärmter Werkzeuge beeinflusst. Auch chemische Veränderungen während der gelegentlich sehr langen Haltephasen eines Werkzeuges in einem Erwärmungsofen können durch die erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung mit einem Pralldüsenfeld weitestgehend vermieden werden.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Abbildungen.

Von den Abbildungen zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Seitenschnitt; und
2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Aufsicht:
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtung handelt es sich um einen Ofenherd 10 mit verschiedenen baulichen Merkmalen. In 1 ist die Vorrichtung in einem Seitenquerschnitt dargestellt, währen die 2 eine Aufsicht auf die Vorrichtung wiedergibt. Die Pfeile stellen die Flussrichtung des Fluides innerhalb der Vorrichtung dar. Dabei bezeichnen die weißen Pfeile die Flussrichtung innerhalb des Druckraumes der Vorrichtung und die schwarzen Pfeile die Flussrichtung des Fluids im Pralldüsenfeld.
Bei den in der Vorrichtung zu erwärmenden Werkzeugen 90 handelt es sich um Strangpresswerkzeuge, die oftmals aus mehreren runden Stahlplatten mit Löchern und Gravuren bestehen. Ein derartiges Werkzeug ist in 1 beispielhaft als runde Platte 90 dargestellt. Durch solche Stahlplatten werden Materialien gepresst, um ein bestimmtes Profil zu erhalten. Neben verschiedenen Kunststoffen können auch Aluminium, Buntmetalle oder ähnliche Legierungen durch ein Werkzeug gepresst werden. Es können jedoch auch anders geformte Werkzeuge für einen nachfolgenden Einbau in eine Presse erwärmt werden. Die Anlage und das Erwärmungsverfahren eignen sich insbesondere zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen, die aus höherfesten Stählen bestehen.
Der Ofenherd 10 sieht ein gasdichtes und wärmeisoliertes Ofengehäuse 50 vor, in welches die Werkzeuge 90 durch eine oder mehrere Beschickungs- und Entnahmeöffnungen 70 einbringbar sind. Die Werkzeuge werden nachfolgend in einem Pralldüsenfeld 20 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt. In der 1 ist das Pralldüsenfeld durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Düsen befinden sich vorzugsweise auf wenigstens zwei Seiten eines Druckraumes 60 innerhalb des Ofenraumes 80.
Nach einer vorgegebenen Verweilzeit in dem Düsenfeld 20 ist das dort eingebrachte Werkzeug 90 auf die vorgegebene Temperatur erwärmt, die beispielsweise für einige Stähle 400°C bis 550°C beträgt. Nach einem vorgegebenen Zeitablauf kann der Ofenraum 80 mit Schutz- oder Reaktionsgas geflutet und gespült werden. Sobald ein Werkzeug 90 benötigt wird, entnimmt der Werker dieses durch Öffnen des Ofendeckels 40 und führt es direkt in die Presse.
Das Düsenfeld 20 besteht in erster Linie aus einem Druckraum 60 und einem Ofenraum 80 der nach außen stark isoliert und gasdicht ausgeführt ist. Das Düsenfeld 20 kann auf verschiedene Weisen beheizt werden. Die Beheizung kann beispielsweise elektrisch oder mit Brennstoff erfolgen. Die Heiztemperatur des Düsenfeldes entspricht mindestens der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkzeuge, sie liegt jedoch vorzugsweise etwas höher als diese. Die tatsächlich erforderliche Temperatur muss empirisch ermittelt werden. Typische Temperaturunterschiede liegen in der Größenordnung von 10 bis 100°C. Bei einer Behandlungstemperatur von etwa 650°C liegt die Düsenfeldtemperatur beispielsweise 20°C über der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkzeuge.
Die im Ofenraum 80 befindlichen Werkzeuge 90 werden fortlaufend von frischem Fluid umspült, das mittels einer oder mehrerer Ventilatoren 100 beschleunigt wird. Das Fluid tritt dabei aus mehreren Öffnungen 110 aus und berührt das Werkzeug als ein typischer Prallstrahl. Dadurch wird ein sehr guter Wärmeübergang von dem Fluid auf das Werkzeug realisiert, so dass auf diese Weise kurze Aufheizzeiten verwirklicht werden können. Gegenüber konventionellen Erwärmungsmethoden wird die erforderliche Zeit gedrittelt und das Temperaturband halbiert.

10: Ofenherd
20: Pralldüsenfeld
30: Ventilator
40: Ofendeckel
50: Gasdichtes Ofengehäuse
60: Druckraum
70: Beschickungs- und Entnahmeöffnung
80: Ofenraum
90: Strangpresswerkzeug
100: Heizeinrichtung
110: Düsenöffnungen

Claims

Vorrichtung zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in eine Strangpresse, in der die Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ein gasdichtes und wärmeisoliertes Ofengehäuse (50) umfasst, welches wenigstens eine Beschickungs- und Entnahmeöffnung (70) mit einem Ofendeckel (40) aufweist und dass innerhalb des Ofengehäuses ein Pralldüsenfeld (20) angeordnet ist, in dessen Bereich ein Werkzeug (90) einbringbar ist und dass die Vorrichtung (10) mit einer Heizeinrichtung (100) versehen ist, welche ein Fluid erwärmt, dass durch die Öffnungen (110) des Pralldüsenfelds (20) strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ventilator (30) zum Umwälzen des Fluides durch die Heizeinrichtung (100) und das Pralldüsenfeld (20) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (100) elektrisch beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (100) durch einen mit Brennstoff betriebenen Brenner beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pralldüsenfeld (20) thermostatisch auf einer Temperatur haltbar ist, die oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkzeuge (90) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Fluides etwa 10 bis 100°C oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkzeuge (90) liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit Schutz- oder Reaktionsgas betrieben wird.
Verfahren zur Erwärmung von Strangpresswerkzeugen vor dem Einbau in die Strangpresse, bei dem die Werkzeuge auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (90) in eine Vorrichtung (10) eingebracht werden, welche ein Pralldüsenfeld (20) aufweist, in welchem die Werkzeuge (90) mindestens auf die vorgegebene Temperatur erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Vorrichtung (10) jeweils nur ein Werkzeug (90) eingebracht, in dieser erwärmt und auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in der Vorrichtung (10) in einer Schutz- oder Reaktionsgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid durch Heizeinrichtungen (100) erwärmt und mittels einer oder mehrerer Ventilatoren (30) durch Düsenöffnungen (110) auf ein oder mehrere Werkzeuge (90) strömt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (90) nach der Erwärmung in eine Strangpresse eingebaut werden.