DE102019211862A1

DE102019211862A1 - Verfahren zur induktiven Wärmebehandlung und verfahrenstechnische Anordnung zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102019211862A1
Application number: DE102019211862.3A
Authority: DE
Inventors: Jelena Pavlovic-Krstic; Marcus Hansel; Michael Cesinger; Hermann Autenrieth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-02-11
Also published as: CN112430711A; US20210045198A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum induktiven Wärmebehandlung eines Werkstücks, sowie eine verfahrenstechnische Anordnung zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Wärmebehandlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine verfahrenstechnische Anordnung zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 7.
Zur räumlich begrenzten Wärmebehandlung von Werkstücken ist aus dem Stand der Technik die induktive Wärmebehandlung, insbesondere die Induktionshärtung, bekannt. Dabei wird mittels einer Induktionsspule ein Magnetfeld erzeugt, wodurch lokal am nahe angeordneten Werkstück, in einer Randschicht, Wirbelströme erzeugt werden. Dadurch erhitzt sich das Werkstück oberflächlich und räumlich begrenzt auf die notwendige Prozesstemperatur, unter der eine Optimierung einer Werkstückeigenschaft, beispielsweise der Härte, erfolgt.
Eine Streuung einer Legierungszusammensetzung und Gefügeausprägung des Ausgangswerkstoffes liegt häufig vor, insbesondere da diese über Materialchargen hinweg variieren können. Die Werkstücke treten in Folge mit unterschiedlicher Qualität in den Wärmebehandlungsprozess ein. Da bei leistungs-, strom- oder spannungsgesteuerten Induktionen aus dieser Variation eine Variation der Wirbelströme und damit der Prozesstemperatur resultiert, kommt es so zu einer teils erheblichen Abweichung der tatsächlich erzielten von einer spezifizierten Werkstückeigenschaft.
Gemäß dem Stand der Technik werden diese Werkstückeigenschaften nach erfolgter Wärmebehandlung überprüft. Nachteilig an diesem Vorgehen ist, dass Werkstücke, die der Spezifikation nicht entsprechen, als Ausschuss anfallen oder nachgearbeitet werden müssen. Beides ist in hohem Maße aufwändig und kostenintensiv.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur induktiven Wärmebehandlung zu schaffen, über das eine durch die Wärmebehandlung erzielbare Spezifikation des Werkstücks, trotz variierender Werkstoffausprägung der eingehenden Werkstücke, mit weniger Aufwand erreicht werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verfahrenstechnische Anordnung zu schaffen, über die eine durch die Wärmebehandlung erzielbare Spezifikation des Werkstücks, trotz variierender Werkstoffausprägung der eingehenden Werkstücke, mit weniger Aufwand erreicht werden kann
Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine verfahrenstechnische Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6, die der Anordnung in den Patentansprüchen 8 und 9 beschrieben.
Ein Verfahren zur, insbesondere lokalen, induktiven Wärmebehandlung eines Werkstücks hat einen Schritt „Induktive Wärmebehandlung des Werkstücks“. Darüber hinaus hat es einen Schritt „Ermitteln oder Prüfen wenigstens einer Werkstoffausprägung des Werkstücks“, der insbesondere über eine Prüfeinrichtung erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt die „induktive Wärmebehandlung“, insbesondere deren Prozessführung, nach oder zumindest abschnittsweise nach dem „Ermitteln“, und zwar gesteuert in Abhängigkeit der ermittelten Werkstoffausprägung oder -ausprägungen.
Die Steuerung erfolgt insbesondere über eine Steuereinrichtung.
Das Verfahren ermöglicht somit eine direkte Reaktion der Steuerung oder Steuereinrichtung auf die Variation der Werkstoffausprägung oder -prägungen. Jedes eingehende Werkstück unterläuft somit einer individuellen Wärmebehandlung, wodurch mehr der ausgehenden Werkstücke die durch die Wärmebehandlung zu erzielende Spezifikation erreichen und weniger Ausschuss anfällt. Dies senkt den Aufwand und die Kosten.
Die Werkstoffausprägung ist insbesondere ein Gefüge, eine mechanische Eigenschaft, wie Härte oder Festigkeit, eine Härtetiefe, eine µ-Struktur oder - indirekt - ein Verzug, oder es sind beispielsweise Eigenspannungen des Werkstücks.
Als Werkstücke sind insbesondere solche zu nennen, bei denen eine lokal erhöhte Festigkeit und/oder ein Verschleißschutz benötigt wird, beispielsweise induktiv gehärtete Wellen, Exzenter, Zahnräder oder Hydraulikventile. Die Spezifikation ist eine Härte oder Festigkeit. Ergänzend sind es Werkstücke, die beispielsweise zur Funktionssteigerung lokal wärmebehandelt werden, wie beispielsweise magnetisch optimierte Ventilhülsen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgen zumindest die beiden genannten Schritte des Verfahrens in ein und derselben Verfahrens- oder Prozesslinie, also „in-line“. In anderen Worten erfolgt zumindest der Schritt „Ermitteln“ in einem räumlichen und zeitlichen Rahmen mit dem Schritt „Induktive Wärmebehandlung“.
In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Ermitteln“ zerstörungsfrei und/oder berührungslos, was einen entsprechenden Zeitgewinn und reduzierten Aufwand bedeutet.
In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Ermitteln“ mittels einem Induktor und einem Magnetfeldsensor. Erstgenannter kann Strom-, insbesondere Wechselstrom-, Spannungs-, insbesondere Wechselspannungs-, oder Leistungs-angesteuert sein. Letztgenannter kann beispielsweise ein Hallsensor oder eine Anordnung davon sein.
In einer Weiterbildung des Verfahrens weist der Schritt „Ermitteln“ Schritte „Ansteuern eines beim Werkstück angeordneten Induktors“ und „Erfassen eines Magnetfeldes, in Abhängigkeit vom Ansteuern und der Werkstoffausprägung“ auf.
Ein Ergebnis des Schrittes „Ermitteln“ geht dann als Input in die Steuerung der induktiven Wärmebehandlung ein. So ist deren direkte Steuerung über die vorher in-line vermessene oder vermessenen Magneteigenschaft oder Magneteigenschaften des Werkstücks gegeben.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren einen Schritt „Kalibrieren“, insbesondere der Prüfeinrichtung, auf.
Das Kalibrieren kann wie folgt erfolgen. Zunächst erfolgt ein „Ansteuern des Induktors in Abwesenheit von Werkstücken“, dabei erfolgt ein „Erfassen eines in Abhängigkeit der Ansteuerung induzierten, ersten Magnetfeldes des Induktors, insbesondere durch den Magnetfeldsensor“, währenddessen oder danach erfolgt ein „Ablegen des ersten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Ansteuerung in einer Steuereinrichtung, als Kennfeld oder Kennlinie“.
Zudem erfolgt ein „Eingang mehrerer Werkstücke mit bekannter Werkstoffausprägung“, dann ein „Ansteuern des Induktors mit jeweiligem Werkstück“. Dabei wird aufgrund des resultierenden ersten Magnetfeldes ein oberflächennaher Wirbelstrom am Werkstück induziert, der wiederum in Abhängigkeit der Werkstoffausprägung oder -prägungen in einem, dem ersten entgegen gerichteten, zweiten Magnetfeld des Werkstücks resultiert. Das erste und zweite Magnetfeld summieren sich zu einem resultierenden Magnetfeld. Es folgen die Schritte „Erfassen des resultierenden Magnetfeldes“ und „Ablegen des resultierenden Magnetfeldes in Abhängigkeit der Ansteuerung und der bekannten Werkstoffausprägung oder-prägungen in der Steuereinrichtung, als Kennfeld“. Ergänzend kann ein Schritt „Ermitteln und Ablegen des zweiten Magnetfeldes aus resultierendem Magnetfeld und erstem Magnetfeld“, sowie ein Schritt „Ablegen des zweiten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Ansteuerung und der bekannten Werkstoffausprägung oder-prägungen in der Steuereinrichtung als Kennfeld“ erfolgen.
Durch entsprechende Kalibrierung können mehrere Werkstoffausprägungen ermittelt werden.
Eine verfahrenstechnische Anordnung, insbesondere eine Prozesslinie, hat zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorangegangenen Beschreibung eine Ermittlungseinrichtung. Über diese ist zumindest der Schritt „Ermitteln wenigstens einer Werkstoffausprägung des Werkstücks“ ausführbar. Des Weiteren ist eine Wärmebehandlungseinrichtung vorgesehen, über die zumindest der Schritt „Induktive Wärmebehandlung des Werkstücks“ ausführbar ist. Über eine Steuereinrichtung der Anordnung ist der letztgenannte Schritt dabei in Abhängigkeit der ermittelten Werkstoffausprägung oder -ausprägungen mit den bereits genannten Vorteilen steuerbar.
Bevorzugt ist die Ermittlungseinrichtung kontinuierlich in die Anordnung und die Ausführung des Verfahrens eingebunden. Insbesondere ist sie in räumlicher Einheit mit der Wärmebehandlungseinrichtung und der Steuereinrichtung angeordnet.
In einer Weiterbildung ist zur genannten Steuerung in der Steuereinrichtung eine Temperaturregelung in Abhängigkeit der ermittelten, Werkstoffausprägung oder - ausprägungen zur Steuerung der induktiven Wärmebehandlung abgelegt. Vorzugsweise ist zur Erfassung der Temperatur eine Temperaturerfassungseinrichtung vorgesehen.
Um die Einhaltung einer durch die induktive Wärmebehandlung zu erzielenden Spezifikation des Werkstücks stichpunktartig an einer Untermenge der behandelten Werkstücke überprüfen zu können, weist die Anordnung in einer Weiterbildung eine Prüfeinrichtung auf.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur dargestellt. Anhand dieser wird die Erfindung nun näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Verfahren 1 zur induktiven Wärmebehandlung eines Werkstücks, insbesondere zur Härtung dessen. Zudem ist eine Prozesslinie 2 dargestellt, in welcher das Verfahren 1 ausgeführt wird. Die Prozesslinie 2 hat die Stationen Werkstückeingang 4, induktive Wärmebehandlung 6, Stichprobenartige Prüfung 8 und Warenausgang 10.
Im Wareneingang 4 erfolgt ein erster Schritt des Verfahrens 1 „Ermitteln wenigstens einer Werkstoffausprägung des Werkstücks“ 12 mittels einer Prüfeinrichtung, die insbesondere wenigstens einen Induktor und wenigstens einen Magnetfeldsensor aufweist. Über die Prüfeinrichtung wird wenigstens eine der Werkstoffausprägungen Gefüge, Härte, µ-Struktur der Härte oder Härtetiefe, Festigkeit, oder -indirekt - ein Verzug, oder es werden Eigenspannungen des Werkstücks ermittelt. Dadurch ist ein Eingangszustand des Werkstücks vor der induktiven Wärmebehandlung ermittelt, welche dann nachfolgend in Abhängigkeit eines Ermittlungsergebnisses gesteuert wird. Das Werkstück wird in Folge in den Abschnitt Induktive Wärmebehandlung 6 der Prozesslinie 2 übergeben. Hier erfolgt der Schritt des Verfahrens 1 „Induktive Wärmebehandlung, gesteuert in Abhängigkeit der ermittelten Werkstoffausprägung oder - ausprägungen“ 14.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies durch eine temperaturgeregelte Prozessführung in Abhängigkeit des im Schritt 12 ermittelten Ermittlungsergebnisses realisiert.
Nach beendeter induktiver Wärmebehandlung kann eine Übergabe des Werkstücks optional in die stichprobenartige, insbesondere zerstörende Prüfung 8 erfolgen. Zur Gewährleistung, dass das Ergebnis der induktiven Wärmebehandlung 6 über die Zeit keiner Drift unterliegt, können hier stichprobenartig Werkstücke auf Härte oder Gefüge, oder allgemein ausgedrückt auf eine geforderte Spezifikation, überprüft werden.
Alternativ und im Regelfall wird das Werkstück nach erfolgter induktiver Wärmebehandlung 6 in die letzte Station Warenausgang 10 der Prozesslinie 2 übergeben.
Das in der Prozesslinie 2 ablaufende, erfindungsgemäße Verfahren 1 ermöglicht somit eine direkte Steuerung des Prozesses der induktiven Wärmebehandlung 6 über in-line vermessene Magnet- oder Magnetfeldeigenschaften des Werkstücks.
Durch die Schaffung einer direkten Rückkopplung der induktiven Wärmebehandlung zur Werkstoffausprägung ist es insbesondere möglich, den Gefügezustand des Werkstücks lokal sehr exakt einzustellen.
Offenbart ist ein Verfahren zur induktiven Wärmebehandlung eines Werkstücks, bei dem zunächst wenigstens eine Werkstoffausprägung des Werkstücks ermittelt und dann die induktive Wärmebehandlung in Abhängigkeit der wenigstens einen Werkstoffausprägung gesteuert wird. Offenbart ist auch eine verfahrenstechnische Anordnung mit einer Ermittlungseinrichtung, einer Wärmebehandlungseinrichtung und einer Steuereinrichtung dafür.

Claims

Verfahren zum induktiven Wärmebehandlung eines Werkstücks, insbesondere zur Härtung oder zur Optimierung von Werkstückeigenschaften, gekennzeichnet durch Schritte - „Ermitteln wenigstens einer Werkstoffausprägung des Werkstücks“ (12), und - „Induktive Wärmebehandlung, gesteuert In Abhängigkeit der ermittelten, Werkstoffausprägung oder -ausprägungen“ (14).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest die Schritte „Ermitteln“ (12) und „Induktive Wärmebehandlung“ (14) in einer selben verfahrenstechnischen Anordnung (2) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt „Ermitteln“ (12) zerstörungsfrei und/oder berührungslos erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei der Schritt „Ermitteln“ (12) mittels Induktor und Magnetfeldsensor (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt „Ermitteln“ (12) Schritte - „Ansteuern eines werkstücknah angeordneten Induktors“, und - „Erfassen eines Magnetfeldes, in Abhängigkeit vom Ansteuern und der Werkstoffausprägung, als Prüf- oder Ermittlungsergebnis“ aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Schritt „Kalibrieren“ (16) einer Prüf- oder Ermittlungseinrichtung (8) bezüglich der wenigstens einen Werkstoffausprägung.
Verfahrenstechnische Anordnung, insbesondere Prozesslinie (2), zur Ausführung eines Verfahrens (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Ermittlungseinrichtung (4), über die zumindest der Schritt „Ermitteln wenigstens einer Werkstoffausprägung des Werkstücks“ (12) ausführbar ist, und mit einer Wärmebehandlungseinrichtung (6), über die zumindest der Schritt „Induktive Wärmebehandlung des Werkstücks“ (14) ausführbar ist, und mit einer Steuereinrichtung, über die der letztgenannte Schritt in Abhängigkeit der ermittelten, Werkstoffausprägung oder -ausprägungen steuerbar ist.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei in der Steuereinrichtung eine Temperaturregelung in Abhängigkeit der ermittelten, Werkstoffausprägung oder - ausprägungen zur Steuerung der induktiven Wärmebehandlung abgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, mit einer Prüfeinrichtung (8), über die eine geforderte Spezifikation des Werkstücks nach dem Schritt „Induktive Wärmebehandlung des Werkstücks, gesteuert In Abhängigkeit der ermittelten, Werkstoffausprägung oder -ausprägungen“ (14), insbesondere zerstörend, prüfbar ist.