DE102014002258A1

DE102014002258A1 - System und Verfahren zum Temperieren von Werkstücken und Warenträger für ein System zurn Temperieren von Werkstücken

Info

Publication number: DE102014002258A1
Application number: DE102014002258.7A
Authority: DE
Inventors: Alfred Lösch
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2015-09-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Temperieren von Werkstücken, insbesondere für eine Warmumformungsstation, welches zumindest eine Temperiervorrichtung (2) mit einer Aufheiz-kammer (4) mit einer induktiven Aufheizvorrichtung (6) zum induktiven Aufheizen eines Werkstücks (2) aufweist. Um die Vorteile einer induktiven Heizung zum Aufheizen von Platinen mit einer AlSi-Schutzschicht zugänglich zu machen und eine energieeffiziente und prozesstechnisch verbesserte Aufheizung von beschichteten Platinen zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Temperiervorrichtung (1) eine Vorwärmkammer (5) aufweist mit einer nicht-induktiven Vorwärmeinrichtung (25, 26) zum Vorwärmen des Werkstücks (2).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein System zum Temperieren von Werkstücken, insbesondere für eine Warmumformungsstation, welches zumindest eine Temperiervorrichtung mit einer Aufheizkammer mit einer induktiven Heizeinrichtung zum induktiven Aufheizen eines Werkstücks aufweist. Eine Vorrichtung zum Temperieren von Werkstücken sowie ein Warenträger für ein System zum Temperieren von Werkstücken sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Zur Warmumformung metallischer Werkstücke, insbesondere von Platinen aus Stahlblech, werden diese zunächst erhitzt, bei Stahl hinreichend hoch oberhalb der Austenitisierungstemperatur, und im warmen Zustand in das Umformwerkzeug einer Warmumformungsstation eingelegt und dort beispielsweise durch Pressen umgeformt. Durch gezielte Temperierung wird die Umformbarkeit verbessert und im Umformprozess eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften des Werkstücks erreicht. Derartige Verfahren werden erfolgreich in der Fertigung von Karosseriebauteilen durch Presshärten von Stahlblech-Platinen angewandt.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Werkstücke vor der Umformung in einer Aufheizkammer induktiv aufzuheizen. Der Arbeitsraum befindet sich im Inneren einer Induktionsspule, wo durch ein magnetisches Wechselfeld Werkstücke, beispielsweise Platinen entweder direkt geheizt werden oder indirekt über ein induktiv erwärmtes Heizelement eines Warenträgers. Derartige induktive Temperiereinrichtungen ermöglichen einen gezielten Wärmeeintrag mit hohem Wirkungsgrad und kurzer Aufheizzeit, so dass entsprechend kurze Taktzeiten beim Aufheizen der Werkstücke erreicht werden können.
Um beim Warmpressen bzw. Presshärten Oberflächenschäden durch Mikrorisse und Korrosion zu vermeiden, werden in der Karosseriefertigung standardmäßig beschichtete Platinen verwendet, das sind Stahlblech-Platinen, die mit einer Aluminium-Silizium-Legierung beschichtet sind, einer sogenannten AlSi-Schutzschicht. Beim Erwärmen einer beschichteten Platine vor dem Pressen geht die etwa 10–20 μm dicke AlSi-Schicht zunächst in eine Flüssigphase über. Dabei wurde festgestellt, dass eine induktive Aufheizung der Platine zu Inhomogenitäten und Unregelmäßigkeiten in der AlSi-Schutzschicht führen kann. Die zugrundeliegenden Wirkzusammenhänge sind komplex, beispielsweise wurde eine Abhängigkeit von weiteren Randbedingungen wie etwa der Geometrie der Platinen beobachtet, insbesondere bei unregelmäßig geformten Formplatinen, wie sie in der Karosseriefertigung eingesetzt werden. Bisher ist lediglich bekannt, dass das induzierte Magnetfeld für die beobachteten schädlichen Einflüsse verantwortlich ist. Folglich ist es bisher nicht möglich, AlSi-beschichtete Platinen zum Warmumformen und Presshärten standardmäßig mit einem in vielerlei Hinsicht vorteilhaften induktiven Verfahren mittels eines magnetischen Wechselfelds zuverlässig auf die Verarbeitungstemperatur aufzuheizen.
Offenbarung der Erfindung
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, die Vorteile einer induktiven Heizung zum Aufheizen von Platinen mit einer AlSi-Schutzschicht zugänglich zu machen. Insbesondere soll mit dem System eine energieeffiziente und prozesstechnisch verbesserte Aufheizung von beschichteten Platinen ermöglicht werden.
Zur Lösung der vorgenannten Problematik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Temperiervorrichtung eine Vorwärmkammer aufweist mit einer nicht-induktiven Vorwärmeinrichtung zum Vorwärmen des Werkstücks.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass eine Platine zunächst nicht-induktiv, d. h. ohne ein von außen eingekoppeltes magnetisches Wechselfeld erwärmt wird, nämlich klassisch über Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion. Eine joulesche Erwärmung ist ebenfalls denkbar, solange durch den durchgeleiteten elektrischen Strom keine schädlichen Magnetfelder erzeugt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die Flüssigphase der AlSi-Schicht nicht gestört wird.
Erfindungsgemäß wird ein Werkstück, gleichbedeutend im Folgenden als beschichtete Platine oder kurz als Platine bezeichnet, konventionell erwärmt, bis die AlSi-Schicht in die Flüssigphase übergeht. Dabei bildet sich durch Interdiffusionsprozesse und Erstarrungsreaktionen eine intermetallische AlSiFe-Schicht, die bei gleichbleibender und weiter ansteigender Temperatur wieder eine feste Phase ausbildet. Die Beschichtung ist in diesem Zustand unempfindlich gegenüber der Einwirkung magnetischer Wechselfelder und damit wird eine induktive Aufheizung bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur von Stahl möglich, ohne die Schutzschicht zu gefährden.
Auf diese Weise ist es erstmals möglich, die Vorteile induktiver Heizung zur Erwärmung von AlSi-beschichteten Platinen zu nutzen. Insbesondere sind eine hohe Energieeffizienz und kurze Taktzeiten beim Aufheizen bei wesentlich geringerem Platzbedarf realisierbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufheizen AlSi-beschichteter Werkstücke umfasst die Schritte:

– Nicht-induktives Erwärmen eines beschichteten Werkstücks auf eine erste Temperatur, bis eine AlSi-Beschichtung des Werkstücks in die Flüssigphase übergeht,
– Nicht-induktives Halten des Werkstücks, bis die Beschichtung in eine intermetallische Festphase übergeht,
– Induktives Aufheizen des Werkstücks auf eine zweite Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur und als Ausgangstemperatur zur Warmumformung geeignet ist.

Die zweite Temperatur, die durch induktives Aufheizen erreicht wird, liegt vorzugsweise oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls, aus dem die Platine bzw. das Werkstück besteht.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass in der Vorwärmkammer jeweils mindestens eine nicht-induktive Wärmvorrichtung auf einer Seite des Werkstücks und einer gegenüberliegenden Seite des Werkstücks angeordnet ist. In dieser Anordnung befindet sich das Werkstück zwischen zwei nicht-induktiven Wärmequellen, beispielsweise zwischen zwei Wärmestrahlern, und wird dort effektiv und gleichmäßig erwärmt. Bei der Verarbeitung von Platinen sind die Wärmvorrichtungen bevorzugt bezüglich der Haupterstreckungsebene, d. h. der Flächenerstreckung oberhalb und unterhalb der Platine angeordnet. Dadurch wird die Wärme über beide Oberflächen in die Platine eingeleitet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das System mindestens eine Transportvorrichtung und mindestens einen durch die Temperiervorrichtung transportierbaren Warenträger aufweist, der durch die Aufheizkammer und die Vorwärmkammer transportierbar ist, wobei die Vorwärmkammer der Aufheizkammer im Transportweg des Warenträgers vorgeschaltet ist. Mittels der Transporteinrichtung werden Warenträger, die jeweils mit mindestens einem Werkstück bestückt sind, zuerst in die Vorwärmkammer bewegt, wo sie auf eine erste Temperatur vorgewärmt werden. Dort verbleiben sie so lange, bis die Beschichtung aufgeschmolzen und – bei im Wesentlichen gleichbleibender Temperatur – sich durch Diffusionsprozesse und Erstarrungsreaktionen wieder verfestigt. Anschließend wird der Warenträger mit einem darauf gelagerten Werkstück, bevorzugt einer beschichteten Platine, deren Beschichtung fest ist, auf dem Transportweg der Transportvorrichtung in die Aufheizkammer bewegt, wo sie im magnetischen Wechselfeld einer induktiven Aufheizvorrichtung aufgeheizt wird. Dort verbleibt sie lange genug im Arbeitsbereich im Inneren der Induktionsspule, bis das Werkstück, d. h. die auf dem Warenträger befindliche Platine auf die Verarbeitungstemperatur des nachfolgenden Warmumformprozesses gebracht ist. Beschichtete Platinen werden bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur des verwendeten Stahl aufgeheizt.
Für die Temperierung von flächig erstreckten Werkstücken, insbesondere Platinen, haben die Warenträger eine Haupterstreckungsebene, die parallel zur Haupterstreckungsebene einer Platine liegt. Entsprechend kann eine Platine flach auf einen Warenträger aufgelegt werden.
Vorzugsweise ist die Transportvorrichtung ausgebildet zum umlaufenden Transport des Warenträgers nacheinander durch die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer. In dieser Ausführung wird der Warenträger auf einem geschlossenen Transportweg in einer Schleife bzw. einem Umlauf durch die Vorwärmkammer, die Aufheizkammer transportiert. Eine Mehrzahl von Warenträgern können so nacheinander nach dem Weg durch die Vorwärmkammer in die Aufheizkammer überführt werden und nach dem Weg durch die Aufheizkammer wieder in die Vorwärmkammer übergeben werden.
Zur Bestückung der Temperiervorrichtung mit einem zu temperierenden Werkstück, d. h. einer kalten Platine, und zur Entnahme einer auf Verarbeitungstemperatur, d. h. oberhalb der Austenitisierungstemperatur des verwendeten Stahls aufgeheizten Platine, weist die Transportvorrichtung eine Ladestation im Transportweg vor der Vorwärmkammer auf, zum Laden eines Werkstücks auf einen Warenträger, und im Transportweg hinter der Aufheizkammer eine Entladestation zum Entladen eines Werkstücks von einem Warenträger auf. Die Lade- und Entladestation können in einer Vorrichtung miteinander kombiniert werden. In der Ladestation wird beispielsweise eine Platine mittels einer Greifeinrichtung auf einen Warenträger gelegt, der anschließend in den Eingang der Vorwärmkammer bewegt wird. Nachdem der Warenträger nacheinander durch die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer transportiert worden ist, wird der Warenträger aus dem Ausgang der Aufheizkammer ausgegeben. Dort wird die temperierte Platine mittels einer Greifeinrichtung vom Warenträger entnommen und an eine Warmumformungs-Vorrichtung übergeben. Der entladene Warenträger wird auf dem Transportweg wieder zur Ladestation transportiert und dort wie beschrieben mit einer neuen kalten Platine bestückt. Auf diese Weise erfolgt die Temperierung der Werkstücke in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren, so dass die temperierten Werkstücke einer Umformvorrichtung im Verarbeitungstakt zugeführt werden können.
Bei einem vorangehend beschriebenen Transportsystem mit Warenträgern ist es vorteilhaft, dass in der Vorwärmkammer jeweils mindestens eine nicht-induktive Vorwärmvorrichtung bezüglich der Haupterstreckungsebene eines Warenträgers oberhalb und unterhalb eines auf dem Warenträger angeordneten Werkstücks angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass jede einzelne, auf einem Warenträger befindliche Platine von zwei gegenüberliegenden Seiten gleichmäßig und schnell vorgewärmt wird.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass eine Mehrzahl von Warenträgern senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene übereinander zu einem Vorwärmstapel gestapelt in der Vorwärmkammer aufnehmbar sind. Dadurch befindet sich eine Mehrzahl von auf den Warenträgern angeordneten Platinen gleichzeitig im Vorwärmprozess. Ebenfalls kann eine Mehrzahl von Warenträgern senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene übereinander zu einem Aufheizstapel gestapelt in der Aufheizkammer aufnehmbar sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Anzahl der Warenträger im Vorwärmstapel im Wesentlichen der Anzahl der Warenträger im Aufheizstapel entspricht. Dadurch können die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer im Wesentlichen gleich groß bemessen werden, so dass ein besonders kompakter Aufbau der Temperierungseinrichtung realisiert werden kann.
Ein Vorteil der vorangehend beschriebenen Ausführung mit Vorwärm- und Aufheizstapel besteht darin, daß ein getakteter, prozesskonformer Durchlauf von Platinen durch die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer realisierbar ist. Hierzu wird bevorzugt ein Transportsystem eingesetzt, bei dem die Transportvorrichtung Stapelfördermittel aufweist zum Zuführen bzw. Entnehmen eines Warenträgers zum bzw. von einem Vorwärm- und/oder Aufheizstapel und zur Bewegung eines Vorwärm- und/oder Aufheizstapels parallel und/oder antiparallel zur Stapelrichtung. Dadurch wird ein Transportmechanismus für eine sogenannte First-In-First-Out-(FIFO-)Lagerung/Speicherung im Stapel realisiert. Dabei wird ein erster Warenträger an einem Ende des Stapels zugeführt, beispielsweise ein Warenträger mit einer kalten Platine dem oberen Ende des Vorwärmstapels. Dann wird am unteren Ende des Stapels ein Warenträger mit einer vorgewärmten Platine entnommen, so dass sich der Stapel um eine Warenträgerposition nach unten bewegt. Auf dieselbe Weise werden anschließend zweite und weitere Warenträger von oben aufgestapelt, so dass der erste Warenträger taktweise nach parallel zur Stapelrichtung unten durch den Stapel wandert, bis er vor dem zweiten und weiteren Warenträgern am unteren Ende des Stapels wieder ausgegeben wird. Die Stapelgeschwindigkeit wird bevorzugt so gewählt, dass die Beschichtung der Platine während der Wanderung des Warenträgers durch den Vorwärmstapel in die Flüssigphase übergeht und durch die beschriebenen Diffusions- und Erstarrungsvorgänge wieder verfestigt ist, wenn der Warenträger am unteren Ende des Vorwärmstapels wieder ausgegeben wird.
Der am unteren Ende des Vorwärmstapels ausgegebene Warenträger mit einer vorgewärmten Platine wird erfindungsgemäß dem Aufheizstapel zugeführt. Dabei wird dasselbe FIFO-Verfahren wie für den Vorwärmstapel angewandt, mit dem Unterschied, dass ein Warenträger dem Aufheizstapel von unten zugeführt wird und entsprechend antiparallel zur Stapelrichtung nach oben wandert. In der obersten Warenträgerposition im Aufheizstapel ist die Platine durch induktive Heizung auf Verarbeitungstemperatur temperiert und kann in einer Entladestation vom Warenträger entnommen und an eine Bearbeitungsstation übergeben werden.
Zur Übergabe eines Warenträgers vom Vorwärmstapel zum Aufheizstapel ist es vorteilhaft, dass die Transportmittel mindestens einen Transportmechanismus aufweisen zur Bewegung eines Warenträgers parallel zur Haupterstreckungsebene aus der Vorwärmkammer in die Aufheizkammer. In der vorangehend beschriebenen Ausführung wird ein Warenträger von dem Transportmechanismus parallel zu seiner Haupterstreckungsebene, d. h. quer zur Stapelrichtung unten aus dem Vorwärmstapel entnommen und ebenfalls parallel zu seiner Haupterstreckungsebene quer zur Stapelrichtung dem Aufheizstapel unten zugeführt. Entsprechend wird der Warenträger am oberen Ende vom Aufheizstapel entnommen und dem oberen, eingangsseitigen Ende des Vorwärmstapels zugeführt. Dadurch wird ein geschlossener, kreisförmiger bzw. rechteckförmiger Umlauf eines bzw. einer Mehrzahl von Warenträgern durch die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer realisiert.
Bevorzugt sind die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer benachbart zueinander angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, den Ausgang der Vorwärmkammer, beispielsweise am unteren Ende eines Vorwärmstapels, unmittelbar gegenüber dem Eingang der Aufheizkammer zu positionieren, beispielsweise am unteren Ende des Aufheizstapels. Auf diese Weise kann der Aufbau der Temperiervorrichtung besonders kompakt erfolgen. Außerdem werden Wärmeverluste bei der Übergabe vom Vorwärm- zum Aufheizstapel reduziert.
Die Wärmeverluste bei der Übergabe vom Vorwärm- zum Aufheizstapel können in vorteilhafter Weise minimiert werden, indem die Vorwärmkammer und die Aufheizkammer in einer wärmeisolierenden Einhausung angeordnet sind. Bevorzugt sind die beiden Kammern in einem gemeinsamen Gehäuse mit thermisch isolierenden Wandungen untergebracht. Dadurch können Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert werden, was einem besonders energieeffizienten Betrieb zugute kommt.
Ein weiterer besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Vorwärmstapels, d. h. der Ausbildung eines Warenträgerstapels bestehend aus einer Mehrzahl senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene übereinander gestapelter Warenträger ergibt sich dadurch, dass eine Platine, die auf der oberen Seite eines Warenträgers angeordnet ist, d. h. dort aufliegt, in allen Positionen innerhalb des Stapels bis auf die oberste Position, sich zwischen zwei übereinander gestapelten Warenträgern befindet, quasi in einer Sandwich-Anordnung. Dadurch, dass ein Warenträger zumindest ein Temperierungselement aufweist, welches ausgebildet ist zur Wärmeabgabe von beiden gegenüberliegenden Seiten der Haupterstreckungsebene des Warenträgers ist es möglich, eine Platine innerhalb des Vorwärmstapels zwischen zwei Temperierungselementen gleichzeitig von oben und unten vorzuwärmen. Von unten wird durch das Temperierungselement des Warenträgers, auf dem die Platine liegt, Wärme nach oben abgegeben und in die Platine eingeleitet, nämlich konventionell, insbesondere nicht-induktiv durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion. Das Temperierungselement des im Stapel über der Platine befindlichen Warenträgers gibt entsprechend Wärme von oben an die Platine ab. Während der Warenträger wie oben beschrieben nach unten durch den Vorwärmstapel wandert, wird die Platine von beiden Seiten ihrer Flächenerstreckung schnell und gleichmäßig nicht-induktiv erwärmt. Die Höhe der Temperatur und die Verweildauer der Platine im Vorwärmstapel können durch die Temperatur und das Wärmeabgabevermögen der Temperierungselemente so eingestellt werden, das eine AlSi-Beschichtung zunächst aufschmilzt und anschließend verfestigt, bevor die Platine in die Aufheizkammer übergeben wird. In der Aufheizkammer wird die Platine samt Warenträger höher erhitzt, nämlich bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls der Platine.
Besonders vorteilhaft ist es, dass das Temperierungselement induktiv aufheizbar ist, indem es beispielweise durch eine Stahlplatte gebildet wird. Dadurch kann das Temperierungselement beim Durchlauf des Warenträgers durch die Aufheizkammer zusammen mit dem Werkstück induktiv aufgeheizt werden. Am Ausgang der Aufheizkammer ist die Platine und auch das Temperierungselement auf Arbeitstemperatur. Nachdem dort die warme Platine vom Warenträger entnommen worden ist, wird der warme Warenträger mit einer kalten Platine bestückt und in den Eingang des Vorwärmstapels transportiert, wobei das induktiv erwärmte Temperierungselement die Platine im Vorwärmstapel nicht-induktiv erwärmt.
Die zuletzt beschriebene Ausführungsform nutzt die besonders vorteilhafte induktive Erwärmung direkt zum Aufheizen der Platine auf die Verarbeitungstemperatur für den Warmumformprozess und indirekt für die optimale Formierung der AlSi-Beschichtung. Dabei ist die Anordnung in einem Vorwärmstapel und einem Aufheizstapel mit jeweils mehreren abwechselnd übereinander angeordneten Platinen und Temperierungselementen besonders effizient. Dadurch können relativ kleine Stapel eingesetzt werden, mit jeweils circa 3 bis 10, bevorzugt 3 bis 5, übereinander gestapelten Warenträgern. Dies wiederum ermöglicht die Konstruktion kompakter und energieeffizienter Temperierungssysteme.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der zuletzt beschriebenen Ausführungsform sieht vor, dass ein Warenträger zumindest ein erstes Temperierungselement und ein zweites Temperierungselement aufweist, wobei das erste Temperierungselement parallel zur Haupterstreckungsebene auf einer Seite des Warenträgers angeordnet ist und das zweite Temperierungselement parallel zur Haupterstreckungsebene auf der gegenüberliegenden Seite des Warenträgers angeordnet ist. Dabei weist ein Warenträger eine flächige Grundform auf, an deren Ober- und Unterseite jeweils ein Temperierungselement angebracht ist. Das hat den Vorteil, dass verschiedene Materialien für unterschiedliche Funktionen des Warenträgers eingesetzt werden können, die thermisch voneinander entkoppelt sind. So können die beschriebenen Temperierungselemente bevorzugt als Metallplatten (bevorzugt Stahlplatten) ausgebildet sein, während der Grundkörper des Warenträgers aus keramischem Material bestehen kann. Keramische Materialien haben vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Wärmeausdehnung und mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen, während Metall (Stahl) induktiv erwärmbar ist und eine hohe Wärmekapazität hat.
Bevorzugt wird der Grundkörper aus einer Mehrzahl von lösbar miteinander verbundenen Profilelementen gebildet wird. Als Profilelemente können beispielsweise Rechteck-, U-, L-, T- oder Doppel-T-Profile eingesetzt werden, vorzugsweise aus keramischem Material, die beispielsweise miteinander verbolzt oder verschraubt werden. Im Falle einer Beschädigung brauchen dann nur die beschädigten Profilelemente ausgetauscht werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Systems zur Temperieren von Werkstücken in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
2 ein erfindungsgemäßes Systems wie in 1 mit teilweise weggelassenen Komponenten;
3 ein Warenträger für ein System gemäß 1 in einer Ansicht von schräg oben;
4 eine Detailansicht A des Warenträgers gemäß 2
5 eine Schnittansicht B-B' des Warenträgers gemäß 2.
Ausführungsformen der Erfindung
In den nachfolgenden Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes System 1 zur Temperierung von Werkstücken 2, konkret mit einer AlSi-Beschichtung beschichteten Platinen 2, als Ganzes in einer schematischen Perspektivansicht dargestellt. Das System weist eine Temperiervorrichtung 3 auf mit einer Aufheizkammer 4 und einer dieser benachbarten – in der gezeigten Ansicht in Blickrichtung dahinter liegenden – Vorwärmkammer 5.
Die Aufheizkammer 4 weist eine Induktionsspule 6 auf, deren Windungen um den Innenraum der Aufheizkammer 4 gewunden verlaufen. Die Induktionsspule 6 ist an eine nicht dargestellte Wechselstrom-Versorgung angeschlossen und von dieser mit Wechselstrom bestrombar, wodurch im Inneren der Induktionsspule 6 und damit im Arbeitsraum der Aufheizkammer 4 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.
Die Darstellung von 2 entspricht der von 1, wobei die Induktionsspule 6 (teilweise) weggelassen wurde, um einen Blick ins Innere der Temperiereinrichtung 2 freizugeben.
In der Aufheizkammer 4 befinden sich mehrere Warenträger 7, die flächenhaft ausgebildet sind und sich in ihrer Haupterstreckungsebene in Längsrichtung L und Querrichtung bzw. Breitenrichtung B erstrecken. Die Warenträger 7 sind in Höhenrichtung H senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene übereinander gestapelt und bilden einen Aufheizstapel 8 mit der Stapelrichtung H. Der Aufheizstapel 8 befindet sich als Ganzes innerhalb der Induktionsspule 6. Auf jedem der Warenträger 7 in dem Aufheizstapel 8 ist eine Platine 2 angeordnet, konkret parallel zu dessen Oberseite auf einen Warenträger 7 aufgelegt.
In Breitenrichtung B zur Aufheizkammer 4 benachbart befindet sich die Vorwärmkammer 5 außerhalb des von der Induktionsspule 6 erzeugten Magnetfelds. Eine erfindungsgemäße Besonderheit ist, dass in der Vorwärmkammer 5 mehrere Warenträger 7 in Höhenrichtung H senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene zu einem Vorwärmstapel 9 mit der Stapelrichtung H übereinander gestapelt sind. Im Vorwärmstapel 9 liegt ebenfalls auf jedem Warenträger 7 eine Platine 2 auf.
Der Vorwärmstapel 9 befindet sich in Querrichtung B benachbart zum Aufheizstapel 8, wobei die beiden Stapel in etwa die gleiche Anzahl von Warenträgern 7 umfassen, im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils vier Warenträger 7 übereinander.
Die Temperiervorrichtung 2 bildet eine kompakte Baueinheit, die bevorzugt in einer die Aufheizkammer 4 und die Vorwärmkammer 7 umschließenden Einhausung 10 angeordnet sind, welche als gemeinsames Gehäuse mit thermisch isolierenden Wandungen ausgebildet sein kann. Die Einhausung 10 ist in der Zeichnung gestrichelt schematisch angedeutet.
Oberhalb des Vorwärmstapels 9 befindet sich eine Ladestation 11, die zur Bestückung eines Warenträgers 7 mit einer kalten Platine 2 zur Einführung in den Vorwärmstapel 9 und zur Entnahme einer aufgeheizten Platine 2 am oberen Ausgang des Aufheizstapels 8 dient. Die Ladestation 11 wird durch eine in der Zeichnung links liegende Ladeöffnung 12 mit einer kalten Platine 2 beschickt, indem diese in Längsrichtung L eingeführt wird, bis sie sich oberhalb eines leeren Warenträgers 7 in der obersten Stapelposition des Vorwärmstapels 9 befindet. Dort wird sie mittels nicht im Einzelnen dargestellter Ladeeinrichtungen auf der Oberseite des Warenträgers 7 aufgelegt.
Nach der Bestückung des obersten Warenträgers 7 wird der gesamte Vorwärmstapel 9 mittels nicht gezeigter Stapeltransportmittel um eine Stapelposition, d. h. um die Höhe eines Warenträgers 7, antiparallel zur Stapelrichtung H nach unten bewegt. Anschließend wird der sich dann in der untersten Stapelposition des Vorwärmstapels 9 mittel eines Transportmechanismus in Form einer Zugstange in Querrichtung B in die unterste Stapelposition des Aufheizstapels 8 übertragen. Damit erfolgt die Übergabe des Warenträgers 7 samt darauf befindlicher Platine 2 von der Vorwärmkammer 5 in die Aufheizkammer 4.
Anschließend wird der gesamte Aufheizstapel 8 mittels nicht dargestellter Stapeltransportmittel um eine Stapelposition, d. h. um die Höhe eines Warenträgers 7, parallel zur Stapelrichtung H nach oben bewegt. Der dann im Aufheizstapel 8 in der obersten Stapelposition befindliche Warenträger 7 wird mittels einer Schubstange 14 aus der Aufheizkammer 4 entgegen der Querrichtung B bis oberhalb des Vorwärmstapels 9 geschoben. Dort wird in der Ladestation 11 die warme Platine 2 vom Warenträger 7 entnommen und durch eine Entladeöffnung 15 aus der Ladestation 11 ausgegeben.
Ein erfindungsgemäßer Warenträger 7 ist einzelnen in 2 gezeigt. Darin ist deutlich seine rechteckige flache Form erkennbar, die sich mit in ihrer Haupterstreckungsebene in Längsrichtung L und Querrichtung B erstreckt. Eine Platine 2, beispielhaft eine unregelmäßig geformte Formplatine, ist gestrichelt angedeutet.
Der detaillierte Aufbau des Warenträgers 7 ergibt sich aus der Schnittdarstellung B-B' in 3. Der Grundkörper 20 wird durch Querprofile 21 gebildet, vorzugsweise Profilabschnitte aus Keramik, die sich über die Breite B erstrecken und in einer Mehrzahl in Längsrichtung L benachbart zueinander angeordnet sind. Entlang der Außenkanten sind die Querprofile 21 in U-förmige Längsprofile 22 gefasst und mittels durchgehender Bolzen 23 lösbar fixiert. Die Längsprofile 22 und die Bolzen 23 bestehen ebenfalls bevorzugt aus Keramik. Auf der Oberseite der Längsprofile 22 sind Distanzstücke 24 angebracht. Über die Distanzstücke 24 liegen übereinander gestapelte Warenträger 7 auf den Längsprofilen 22 auf.
Erfindungsgemäß ist ein erstes Temperierungselement 25, bevorzugt als Stahlplatte ausgebildet, parallel zu seiner Haupterstreckungsebene auf einer Seite, nämlich der Oberseite des Warenträgers 7 angebracht und ein zweites Temperierungselement 26, ebenfalls bevorzugt als Stahlplatte ausgebildet, parallel zu seiner Haupterstreckungsebene auf der gegenüberliegenden Seite, nämlich der Unterseite des Warenträgers 7 angebracht.
3 zeigt ein Detail A aus 2, wie ein Temperierungselement 25 etwa in der Mitte mittels Zentrierbolzen auf dem Grundkörper 20 bezüglich einer Bewegung in der Haupterstreckungsebene fixiert ist. Durch die lediglich zentrale Fixierung werden die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der aus Stahl bestehenden Temperierungselemente 25 und 26 vom keramischen Grundkörper 20 mechanisch entkoppelt.
Auf das obere Temperierungselement 25 ist jeweils eine Platine 2 aufgelegt. In 4 ist deutlich erkennbar, wie sich das untere Temperierungselement 26 eines darüber gestapelten Warenträgers 7 mit geringem Abstand, der im Wesentlichen dem Abstand der Platine 2 zum Temperierungselement 25 entspricht, angeordnet ist. Wenn die beiden Temperierungselemente 25 und 26 beide aufgeheizt sind, geben sie durch nicht-induktive Wärmeübertragung Wärme von oben und von unten, d. h. auf die Ober- und Unterseite einer zwischen zwei Warenträgern 7 befindlichen Platine 2 ab. Dadurch kann eine Platine im Vorwärmstapel 9 effektiv vorgewärmt werden.
Wie oben zu 2 erläutert worden ist, werden die Warenträger 7 umlaufend durch den Aufheizstapel 8 in der Aufheizkammer 4 und den Vorwärmstapel 9 in der Vorwärmkammer 5 transportiert. Anders ausgedrückt wird durch die Transportvorrichtung ein geschlossener Transportweg realisiert, wobei in der Ladestation 11 im Transportweg vor der Vorwärmkammer 5 ein Warenträger 7 mit einer kalten Platine 2 bestückt wird. Im Transportweg nach der Aufheizkammer 4 wird eine warme Platine 2 von dem Warenträger entnommen.
Beim Durchlauf des Aufheizstapels 8 durch die Aufheizkammer 8 werden mittels der Induktionsspule 6 die Platine 2 und die Temperierungselemente 25 und 26 induktiv erwärmt, wobei die Platine 2 direkt induktiv erwärmt wird und indirekt durch Wärmeübertragung von den ihrerseits induktiv erwärmten Temperierungselementen 25 und 26. Wenn ein Warenträger 7 an den Vorwärmstapel 9 übergeben wird, sind die Temperierungselemente 25 und 26 noch so warm, dass sie in der in 4 gezeigten Anordnung effektiv nicht-induktiv Wärme an eine dazwischen befindliche Platine 2 abgeben.
Beim Durchlauf durch den Vorwärmstapel 9 wird eine zunächst kalt zugeführte Platine 2 nur durch die Wärmeabgabe der Temperierungselemente 25 und 26 so hoch erwärmt, dass eine AlSi-Schicht zunächst in die Flüssigphase übergeht und durch Bildung intermetallischer Al-SiFe-Verbindungen am unteren Ende des Vorwärmstapels wieder fest erstarrt ist. Die Platine 2 mit einer derart formierten, verfestigten Schutzschicht kann problemlos und besonders effizient in der Aufheizkammer 4 induktiv bis oberhalb der Austenitisierugstemperatur erhitzt werden. Anschließend kann sie optimal temperiert einer Bearbeitungsstation, beispielsweise zur Pressumformung zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Platine
3: Temperiervorrichtung
4: Aufheizkammer
5: Vorwärmkammer
6: Induktionsspule
7: Warenträger
8: Aufheizstapel
9: Vorwärmstapel
10: Einhausung
11: Ladeöffnung
13: Zugstange
14: Schubstange
15: Entladeöffnung
20: Grundkörper
21: Querprofil
22: Längsprofil
23: Bolzen
24: Distanzstück
25: erstes Temperierungselement
26: zweites Temperierungselement
27: Zentrierbolzen

Claims

System zum Temperieren von Werkstücken, insbesondere für eine Warmumformungsstation, welches zumindest eine Temperiervorrichtung (2) mit einer Aufheizkammer (4) mit einer induktiven Aufheizvorrichtung (6) zum induktiven Aufheizen eines Werkstücks (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (1) eine Vorwärmkammer (5) aufweist mit einer nicht-induktiven Vorwärmeinrichtung (25, 26) zum Vorwärmen des Werkstücks (2).
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorwärmkammer (5) jeweils mindestens eine nicht-induktive Wärmvorrichtung (25, 26) auf einer Seite des Werkstücks und einer gegenüberliegenden Seite des Werkstücks (2) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens eine Transportvorrichtung und mindestens einen durch die Temperiervorrichtung (2) transportierbaren Warenträger (7) aufweist, der durch die Aufheizkammer (4) und die Vorwärmkammer (5) transportierbar ist, wobei die Vorwärmkammer (4) der Aufheizkammer (5) im Transportweg des Warenträgers vorgeschaltet ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung ausgebildet ist zum umlaufenden Transport des Warenträgers (7) nacheinander durch die Vorwärmkammer (5) und die Aufheizkammer (4).
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung eine Ladestation (11) im Transportweg vor der Vorwärmkammer (5) aufweist, zum Laden eines Werkstücks (2) auf einen Warenträger (7), und im Transportweg hinter der Aufheizkammer (4) eine Entladestation (11) aufweist zum Entladen eines Werkstücks (2) von einem Warenträger (7).
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorwärmkammer (5) jeweils mindestens eine nicht-induktive Wärmvorrichtung (25, 26) bezüglich der Haupterstreckungsebene eines Warenträgers (7) oberhalb und unterhalb eines auf dem Warenträger (7) angeordneten Werkstücks (2) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Warenträgern (7) senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene übereinander zu einem Vorwärmstapel (9) gestapelt in der Vorwärmkammer (5) aufnehmbar sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Warenträgern (7) senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene übereinander zu einem Aufheizstapel (8) gestapelt in der Aufheizkammer (5) aufnehmbar sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung Stapelfördermittel (13, 14) aufweist zum Zuführen bzw. Entnehmen eines Warenträgers (7) zum bzw. von einem Vorwärm- und/oder Aufheizstapel (8, 9) und zur Bewegung eines Vorwärm- und/oder Aufheizstapels (8, 9) parallel und/oder antiparallel zur Stapelrichtung (H).
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportmittel mindestens einen Transportmechanismus (13, 14) aufweisen zur Bewegung eines Warenträgers (7) parallel zur Haupterstreckungsebene aus der Vorwärmkammer (5) in die Aufheizkammer (4).
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmkammer (5) und die Aufheizkammer (4) benachbart zueinander angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmkammer (5) und die Aufheizkammer (4) in einer wärmeisolierenden Einhausung (10) angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warenträger (7) zumindest ein Temperierungselement (25, 26) aufweist, welches ausgebildet ist zur Wärmeabgabe von beiden gegenüberliegenden Seiten der Haupterstreckungsebene des Warenträgers (7).
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Temperierungselement (25, 26) induktiv aufheizbar ist.
System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warenträger (7) zumindest ein erstes Temperierungselement (25) und ein zweites Temperierungselement (26) aufweist, wobei das erste Temperierungselement (25) parallel zur Haupterstreckungsebene auf einer Seite des Warenträgers (7) angeordnet ist und das zweite Temperierungselement (26) parallel zur Haupterstreckungsebene auf der gegenüberliegenden Seite des Warenträgers (7) angeordnet ist.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warenträger (7) einen in seiner Haupterstreckungsebene flächig erstreckten Grundkörper (20) aufweist, auf dessen gegenüberliegenden Flächen mindestens ein erstes Temperierungselement (25) und ein zweites Temperierungselement (26) angebracht sind.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) aus einer Mehrzahl von lösbar miteinander verbundenen Profilelementen (21) gebildet wird.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) aus einem keramischen Material gebildet wird.
Verfahren zum Temperieren eines Werkstücks (2), insbesondere einer beschichteten Blechplatine, gekennzeichnet durch die Schritte: – Nicht-induktives Erwärmen eines beschichteten Werkstücks auf eine erste Temperatur, bis eine AlSi-Beschichtung des Werkstücks (2) in die Flüssigphase übergeht, – Nicht-induktives Halten des Werkstücks (2), bis die Beschichtung in eine intermetallische Festphase übergeht, – Induktives Aufheizen des Werkstücks (2) auf eine zweite Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur und als Ausgangstemperatur zur Warmumformung geeignet ist.
Warenträger für ein System zur Temperierung von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest ein Temperierungselement (25, 26) aufweist, welches ausgebildet ist zur Wärmeabgabe von beiden gegenüberliegenden Seiten der Haupterstreckungsebene des Warenträgers (7).
Warenträger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungselement (25, 26) induktiv aufheizbar ist.
Warenträger nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest ein erstes Temperierungselement (25) und ein zweites Temperierungselement (26) aufweist, wobei das erste Temperierungselement (25) parallel zur Haupterstreckungsebene auf einer Seite des Warenträgers (7) angeordnet ist und das zweite Temperierungselement (26) parallel zur Haupterstreckungsebene auf der gegenüberliegenden Seite des Warenträgers (7) angeordnet ist.
Warenträger nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warenträger (7) einen in seiner Haupterstreckungsebene flächig erstreckten Grundkörper (20) aufweist, auf dessen gegenüberliegenden Flächen mindestens ein erstes Temperierungselement (25) und ein zweites Temperierungselement (26) angebracht sind.