DE19651408A1 - Werkstückträger zum Wärmebehandeln von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstückträger aus hitzebeständigem faserverbundkeramischem Material zum Wärmebehandeln von darauf angeordneten Werkstücken.

Werkstückträger, oftmals auch als Chargenträger bezeichnet werden bspw. zum Durchhärten, Randschichthärten, Einsatzhärten, Nitrieren, Nitrocarburieren, Glühen oder Anlassen von Werkstücken benötigt. Derartige Prozesse finden etwa in diskontinuierlichen Kammeröfen oder in kontinuierlichen Ofenanlagen wie Durchschub-, Förderband- oder Rollenherdöfen sowie in Rundtakt- oder Drehherdöfen statt. Sie können sowohl unter Atmosphäre, wie auch unter Schutzgas oder Vakuum durchgeführt werden. Zum Abkühlen oder Abschrecken werden Ölbäder, Salze oder auch Gase verwendet.

Es sind beispielsweise Werkstückträger aus hitzebeständigem Spezialstahl, wie Stahlguß oder Walz- und Schmiedestähle mit hohem Chrom- und/oder Nickelanteil bekannt. Bei derartigen Werkstückträgern entstehen thermische Spannungen, die zum Verzug und einem Aufwachsen und damit zu Maßänderungen führen. Dem wird durch aufwendige Konstruktionen und den Einsatz hochlegierten und damit teuren Materials zu begegnen versucht. Hierdurch können zwar die Standzeiten erhöht werden, es verbleiben aber dennoch Nachteile, wie z. B. das hohe Gewicht von aus Stahl bestehenden Werkzeugträgern. Sie haben daher oftmals ein sehr geringes Verhältnis von Nutz- zu sog. Totvolumen, und es müssen große Massen aufgeheizt und abgekühlt werden, was viel Energie verschlingt und mit einer schlechten Wertschöpfung einhergeht. Die Handhabung mechanische oder automatisierte von mit Werkstücken beladenen Trägern ist in der Regel nicht möglich.

Mit der EP 0 452 718 A1 ist bereits vorgeschlagen worden, einen Glühbehälter der eingangs genannten Art aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff einer bestimmten Porosität und einem bestimmten Kohlenstoffaseranteil zu fertigen, wobei der Behälter zur Aufnahme von Füllgut einen geschlossenen Boden und Seitenwände aufweist. Für die Aufnahme einzelner Gegenstände, die bspw. in definierter Lage auf dem Werkstückträger angeordnet werden sollen, ist der bekannte Glühbehälter nicht geeignet, obschon er die auf die Stahlbauweise zurückzuführenden Nachteile bekannter Werkstückträger nicht aufweist. Der genannte Glühbehälter eignet sich nicht für den multifunktionalen Einsatz bei der Behandlung von Werkstücken wie Aufheizen, Abkühlen durch Eintauchen in ein Kühlbad, Beaufschlagung mit Flüssigkeits- oder Gasstrahlen, Verbringen in ein Reinigungsbad etc. Da die Werkstücke nicht mit definiertem Abstand in den Behälter eingebracht werden und der Behälter von unten geschlossen ist, kann eine gleichmäßige Erwärmung sowie ein gleichmäßiges Abkühlen nicht gewährleistet werden.

Schließlich ist aus dem US-Patent Nr. 4,687,185 ein Werkstückträger in Form eines aus Graphit bestehenden Rahmens bekannt, auf dem Kurbelwellen zu Wärmebehandlungszwecken in einem Ofen abgelegt werden können. Hinweise auf Faserverbundwerkstoffe und die Verbindung der Rahmenteile lassen sich dieser Druckschrift nicht entnehmen.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Werkstückträger aus hitzebeständigem faserverbundkeramischem Material zu schaffen, der auf einfache Weise herstellbar ist und eine vielseitige Verwendbarkeit bei der Wärmebehandlung von Werkstücken und damit verbundenen Prozessen zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch einen Werkstückträger der genannten Art gelöst, der gekennzeichnet ist durch streifenförmige Bauteile, die sich in Laminatrichtung erstrecken und deren im Gebrauch nach oben gewandte Schmalseiten jeweils eine insbesondere lineare Werkstückauflage bilden, und dadurch, daß die streifenförmigen Bauteile randoffene schlitzförmige Ausnehmungen aufweisen und mit ihren Ausnehmungen einander umgreifend, insbesondere ineinandergreifend, zusammengesteckt sind.

Dadurch, daß der erfindungsgemäße Werkstückträger durch streifen- bzw. band- oder plattenförmige Bauteile in Stecktechnik zusammengefügt ist, läßt er sich auf besonders einfache Weise herstellen und erweist sich als äußerst formstabil, wobei sowohl gegenüber bekannten Stahlwerkstückträgern als auch gegenüber dem bekannten Glühbehälter eine Gewichtsreduktion erreicht ist, die auf die Möglichkeit der Verwendung dünnwandiger Bauteile zurückgeht. Durch die sich ergebende offene Bauweise wird eine im Vergleich zu dem Glühbehälter flexiblere Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen Werkstückträgers erreicht. Die darauf abgelegten Werkstücke können schneller und kontrollierbarer temperiert werden; sie lassen sich sehr schnell abkühlen, indem der gesamte Werkstückträger in ein Ölbad getaucht oder mit entsprechend temperierten Medien beaufschlagt wird. Die Temperatursteuerung ist daher gegenüber bekannten Werkstückträgern weniger träge und genauer durchführbar. Durch die auf die Schmalflächen der streifenförmigen Bauteile reduzierte Werkstückauflage wird die Qualität der Werkstücke erhöht. Durch die im Wesentlichen punktförmige Auflage und die hohe Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Laminatebenen bilden sich im Auflagebereich keine Wärmeschatten aus.

Als faserverbundkeramische Materialien kommen bspw. kohlenstoffaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) oder Werkstoffe mit anderen Fasern oder anderer Matrix in Frage, wie z. B. Kohlefasern oder Siliziumcarbitfasern in einer Siliziumcarbitmatrix. Es werden dann bei Temperaturen oberhalb von 400° Celsius unter Sauerstoffatmosphäre keine Oxidationsvorgänge des Materials ausgelöst. Aus CFC bestehende Werkstückträger lassen sich auch durch Beschichten mittels Silizium oder durch Ablagerung von Metallen unter Vakuum oder durch Anbringen von Metalloxidschichten schützen. Derartige Schutzschichten sind bekannt und bspw. in der EP 0 452 718 B1 beschrieben; sie sind in der Regel jedoch nur wenige µm stark, so daß bei mechanischem Abrieb wiederum Oxidationsprobleme auftreten.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, Fügeverbindungen zwischen den gesteckten Bauteilen durch Silizieren, d. h. durch Ausbilden von Siliziumcarbit (Silizieren), durch Verglasen mittels Siliziumoxid oder durch Aufbringen keramischer Schichten miteinander zu verschweißen. Auf diese Weise besteht nicht die Gefahr, daß bei der Handhabung des erfindungsgemäßen Werkstückträgers einzelne Bauteile aus ihrer bestimmungsgemäßen Steckverbindung gelöst werden.

Nach einem weiteren vorteilhaften Erfindungsgedanken sind streifenförmige Bauteile vorgesehen, die Durchgriffsöffnungen aufweisen, durch welche andere streifenförmige Bauteile hindurchgreifen. Die Öffnungen sind bevorzugtermaßen der Querschnittsfläche der Bauteile entsprechend schlitzförmig ausgebildet, sie sind jedoch allseits umgeben, weisen also einen geschlossenen Rand auf, so daß ein anderes streifenförmiges Bauteil einführbar oder einsteckbar ist. Im Bereich eines randoffenen streifenförmigen Schlitzes eines hindurchgesteckten Bauteils kann dieses dann auf den die Öffnung umgebenden Wandbereich des ersteren Bauteils aufgeschoben werden.

Die streifenförmigen Bauteile sind bevorzugtermaßen in einer solchen Weise zusammengesteckt und bilden miteinander derartige Hinterschneidungen aus, daß sich keines der Bauteile durch Zug in irgendeiner Richtung von dem Werkstückträger lösen läßt.

Es wird desweiteren bevorzugt, daß diejenigen streifenförmigen Bauteile, welche durch Durchgriffsöffnungen anderer Bauteile hindurchgreifen, Werkstückauflagebereiche bilden. Dies erweist sich deshalb als vorteilhaft, weil diese Bauteile gegenüber den anderen Bauteilen in Auflagerichtung zurückgesetzt sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, mehrere Werkstückträger zu bestücken und übereinander anzuordnen.

Nach einem ganz besonders vorteilhaften Erfindungsgedanken sind für die Aufnahme gekröpfter Langteile wenigstens drei im Wesentlichen senkrecht zu den Langteilen erstreckte streifenförmige Bauteile vorgesehen, deren Schmalseiten zur Ausbildung einer definierten Werkstückposition jeweils einen, vorzugsweise punktförmigem Werkstückauflagebereich für ein jeweiliges Werkstück bilden. Dies eröffnet erstmals die Möglichkeit, die Werkstücke in genau definierten Positionen auf dem Werkstückträger anzuordnen, was ein automatisches Bestücken oder Entnehmen von Werkstücken ermöglicht.

In weiterer Ausbildung dieses Erfindungsgedankens sind die streifenförmigen Bauteile, welche den Werkstückauflagebereich bilden, auf unterschiedlicher Höhe angeordnet, so daß darauf abgelegte Langteile schräg zur Vertikalen geneigt angeordnet sind. Hierdurch wird die Packungsdichte bzw. das Verhältnis von Nutz- zu Totvolumen erhöht.

Die randoffenen schlitzförmigen Ausnehmungen verlaufen vorzugsweise rechtwinklig zueinander, was ein Zusammenstecken der Bauteile besonders komfortabel gestaltet.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstückträgers besteht darin, daß zur Ausbildung unterschiedlichster Bauformen des Werkstückträgers nur eine verhältnismäßig stark begrenzte Anzahl von Einzelteilen gefertigt und bereitgestellt werden muß.

Eine vorstehend beschriebene Steckkonstruktion kann aber auch in Verbindung mit einem aus Stahl bestehenden und nach innen gekröpften Aufnahmerahmen verwendet werden, auf dessen inneren im Gebrauch horizontalen Schenkeln die Enden der streifenförmigen Bauteile auflegbar sind. Dies kann sich bei einzelnen Anwendungen als vorteilhaft erweisen, wenn nämlich einerseits die Stabilität eines Stahlrahmens und andererseits die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gefragt sind.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen und der beigefügten zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung mehrerer vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkstückträgers;

Fig. 2a und 2b eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkstückträgers zur Aufnahme von gekröpften Langteilen;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkstückträgers mit einem äußeren Stahlrahmen.

Fig. 1 zeigt einen Werkstückträger 2, der aus insgesamt sechs streifenförmigen Bauteilen 4 gebildet ist. Die Bauteile 4 weisen randoffene schlitzförmige Ausnehmungen 6 auf, die senkrecht zur Erstreckung der Schmalseiten 8 der Bauteile 4 verlaufen. Die Bauteile 4 sind mit ihren Ausnehmungen 6 ineinandergreifend bzw. einanderübergreifend zusammengesteckt. Dabei ist die Tiefe der Ausnehmungen 6 vorzugsweise so gewählt, daß zwei Bauteile 4 im zusammengesetzten Zustand einen Überkreuzungsbereich 10 mit in einer gemeinsamen Ebene verlaufenden Schmalseiten 8 bilden. Zwei einander gegenüberliegend angeordnete und parallel zueinander verlaufende Bauteile 4 bilden jeweils einen Werkstückauflagebereich 12, auf dem im abgebildeten Fall vorzugsweise langgestreckte Werkstücke ablegbar sind. Um zu verhindern, daß sich die aus vier Bauteilen 4 mit in der Figur bzw. im Gebrauch vertikal erstreckten Ebenen gebildete Steckkonstruktion verwinden läßt, sind auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten zwei weitere streifenförmige Bauteile 4' senkrecht zur Steckrichtung der übrigen Bauteile 4 aufgesteckt. Die Ebenen dieser äußeren Bauteile 4' erstrecken sich daher senkrecht zu den Bauteilen 4 bzw. im Gebrauch des Werkstückträgers in horizontaler Richtung. Dadurch daß der Werkstückauflagebereich 12 etwas zurückgesetzt ist, können mehrere Werkstückträger 2 übereinander angeordnet werden, sofern die abgelegten Werkstücke nicht nach oben vorstehen. Solchenfalls könnten die mit ihren Ebenen senkrecht erstreckten Werkstückträger aber auch mit einer nach unten randoffenen Ausnehmung versehen werden, so wie dies in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 14 angedeutet ist.

Die Fig. 2a-c zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkstückträgers 20 in drei Ansichten. Der Werkstückträger 20 umfaßt an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils zwei gegeneinander anliegende streifenförmige Seitenbauteile 22 und 24. Senkrecht zu diesen Bauteilen sind drei weitere Werkstückauflagebereiche 26 bildende streifenförmige stegartige Bauteile 28, 30 und 32 vorgesehen, die auf noch näher zu beschreibende Weise mit den Seitenbauteilen 22 und 24 verbunden sind.

Aus der Fig. 2d sind die Seitenbauteile 22, 24 und die stegartigen Bauteile 28, 30, 32 im Einzelnen dargestellt. Das streifenförmige Bauteil 22, welches zwar im Hinblick auf seine Längs- und Quererstreckung eine geringe Dicke aufweist und daher als streifenförmig bezeichnet wird, weist zwei senkrecht zueinander verlaufende randoffene schlitzförmige Ausnehmungen 34 und 36 und eine Durchgriffs- oder Durchstecköffnung 38 auf. Das an diesem ersten Bauteil 22 anliegende zweite Seitenbauteil 24 weist drei randoffene schlitzförmige Ausnehmungen 40, 42 und 48 auf, welche die Öffnungen 34, 36, 38 teilweise überdecken, wobei die randoffenen Öffnungen 40, 42 senkrecht zu den Öffnungen 34, 36 verlaufen und sich daher zu einer anderen Stirnseite der Bauteile 22, 24 öffnen. Die in der Fig. 2d ebenfalls dargestellten stegartigen Bauteile 28, 30, 32 werden in die Schlitze 34 bis 42 eingesteckt bzw. eingeschoben. Der Steg 30 wird durch die Durchgriffsöffnung 38 gesteckt und dann mit seiner randoffenen Ausnehmung 50 wie aus der Fig. 2e ersichtlich innerhalb der Durchstecköffnung 38 nach unten verschoben, so daß er mit seiner Öffnung 50 das Seitenbauteil 22 übergreift. Die Stege 28 und 32 werden jeweils in Richtung der Schlitze 34 und 36 in den Seitenbauteil 22 in dieses eingeschoben. Sodann wird das Seitenbauteil 24 von vorne auf die stegartigen Bauteile 28, 30, 32 aufgeschoben. Nach diesem auf beiden Seiten des Werkstückträgers 20 erfolgenden Montageprozeß werden die Bauteile, insbesondere die aneinander anliegenden Seitenbauteile 22 und 24 durch Silizieren miteinander verklebt.

Die Fig. 2f und 2g zeigen eine Anordnung 60 von übereinandergestapelten Werkstückträgern 20 der vorstehend beschriebenen Art. Die Werkstückträger 20 werden von den an ihren Enden 62 L-förmig ausgebildeten stegartigen Bauteilen 28 und 32 an dem jeweils darunterliegenden Werkstückträgerlage sicher gehalten. Diese Enden 62 bilden rechtwinklige Zentriernasen, und zwar auf beiden Seiten des jeweiligen Werkstückträgers 20.

Fig. 2g zeigt die Anordnung 60 mit abgekröpften Langteilen in Form von Inbußschlüsseln 64, die auf den stegartigen Bauteilen 28, 30, 32 abgelegt sind. Der zu unterst angeordnete Werkstückträger 20 ist auf einem Stapelhilfskörper 66 angeordnet, der seinerseits an einer Grundplatte 68 befestigt ist.

Schließlich zeigt Fig. 3 einen Werkstückträger 70 aus gesteckten streifenförmigen Bauteilen 72, der in einen äußeren Stahlrahmen 74 einsetzbar ist, wobei die Bauteile 72 mit ihren Enden 76 auf einem nach innen gekröpften Auflagebereich 78 des Rahmens 74 aufliegen.

Claims (9)

1. Werkstückträger (2, 20, 70) aus hitzebeständigem faserverbundkeramischem Material zum Wärmebehandeln von darauf angeordneten Werkstücken, gekennzeichnet durch streifenförmige Bauteile (4, 24, 28, 30, 32, 72) die sich in Laminatrichtung erstrecken und deren im Gebrauch nach oben gewandte Schmalseiten (8, 26) jeweils eine Werkstückauflage (12) bilden, und dadurch, daß die streifenförmigen Bauteile randoffene schlitzförmige Ausnehmungen (6, 34, 36, 40, 42, 44) aufweisen und mit ihren Ausnehmungen einander umgreifend zusammengesteckt sind.

2. Werkstückträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile im Bereich ihrer Fügeverbindungen durch Silizieren, Verglasen mittels Siliziumoxid oder durch Aufbringen keramischer Schichten miteinander verschweißt sind.

3. Werkstückträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, gekennzeichnet durch streifenförmige Bauteile (22), die Durchgriffsöffnungen (38) aufweisen, durch welche andere streifenförmige Bauteile (30) hindurchgreifen.

4. Werkstückträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen streifenförmigen Bauteile (30), welche durch Durchgriffsöffnungen (38) anderer Bauteile (22) hindurchgreifen, Werkstückauflagebereiche (27) bilden.

5. Werkstückträger nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auflage gekröpfter Langteile (64) wenigstens drei im wesentlichen senkrecht zu den Langteilen erstreckte streifenförmige Bauteile (28, 30, 32) vorgesehen sind, deren Schmalseiten (26) zur Ausbildung einer definierten Werkstückposition jeweils einen, vorzugsweise punktförmigen Werkstückauflagebereich für ein jeweiliges Werkstück bilden.

6. Werkstückträger nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Bauteile (28, 30, 32), welche den Werkstückauflagebereich bilden, auf unterschiedlicher Höhe angeordnet sind, so daß darauf abgelegte Langteile (64) schräg zur Vertikalen geneigt angeordnet sind.

7. Werkstückträger nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in einem Winkel zueinander verlaufende Ausnehmungen (6; 34, 36; 40, 42).

8. Werkstückträger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch in einem rechten Winkel zueinander verlaufende Ausnehmungen.

9. Werkstückträgeranordnung gekennzeichnet durch einen Werkstückträger nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche und einen aus Stahl bestehenden und nach innen gekröpften Aufnahmerahmen (74) für den Werkstückträger, auf dessen inneren im Gebrauch horizontalen Schenkeln (78) die Enden (76) der streifenförmigen Bauteile (72) und der aus ihnen gebildeten Steckkonstruktion auflegbar sind.