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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erreichen
unterschiedlicher Härtegrade
an härtbaren
Werkstücken.
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Herkömmlicher
Weise wird bei Stahl umfassenden Werkstücken das Härten angewendet, um diesen
je nach spezifischem späteren
Einsatz als Bauteil oder Werkzeug eine ausreichende oder vorbestimmte
Härte und
Festigkeit gegenüber
mechanischen Beanspruchungen, wie beispielsweise statischer oder
dynamischer Verformung durch Zug, Druck, Biegung und Verschleiß, zu verleihen.
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Beim
Härten
eines Werkstücks
wird dieses generell auf eine werkstoffspezifische Härtetemperatur
erwärmt,
auf dieser entsprechend werkstoffspezifischer Voraussetzungen eine
Zeitlang gehalten und anschließend
abgeschreckt. Nach dem Abschrecken schließt sich in der Regel der Schritt
des Anlassens an, bei welchem das Werkstück wiederum auf eine Werkstoff-
und/oder härtespezifische
Temperatur erwärmt
wird und darauf hin wiederum auf Raumtemperatur abkühlt. Beim
Anlassen nimmt hierbei die Härte
mit der Temperatur ab wohin gegen jedoch die Zähigkeit gesteigert wird, so
dass die aufgrund einer einsatzspezifischen Belastung notwendige
Duktilität häufig erst
durch das Anlassen gewährleistet
wird.
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Insbesondere
bei zu härtenden
Werkstücken,
bei denen für
deren nachfolgende einsatzspezifische Verwendung, insbesondere als
Bauteil oder Werkzeug, Zonen unterschiedlicher Härtegrade notwendig oder erwünscht sind
erfolgt dieses bisher in der Regel durch partielles Anlassen entsprechender Zonen
eines Werkstücks.
Das Anlassen wird gegebenenfalls mehrfach und/oder an unterschiedlichen Zonen
mit gegebenenfalls auch unterschiedlich einzustellenden Härten durchgeführt.
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Folglich
ist bisher bei der Herstellung von Bauteilen oder Werkzeugen, die
Zonen oder Bereiche mit unterschiedlichen Härtegraden aufweisen sollen
ein wesentlicher Nachteil, dass mehrere aufeinander folgende Verfahrensabschnitte
des Abkühlens
erforderlich sind, zwischen denen wiederum einzelne Erwärmungsphasen
notwendig sind. Dies ist zum einen Zeitintensiv und erfordert zum
anderen den Einsatz unterschiedlicher Halte- und Abkühlvorrichtungen
und/oder das Wechseln einzelner Anlass- und/oder Abkühlwerkzeuge,
so dass in Folge die Fertigung von Bauteilen oder Werkzeugen, die
Zonen oder Bereiche mit unterschiedlichen Härtegraden aufweisen sollen
kostenintensiv ist.
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Aus
der
US 6,174,389 B1 ist
eine Fixtur und ein Verfahren zum selektiven Abschrecken eines vorbestimmten
Bereichs eines Werkstücks
bekannt, mit welchen bestimmte Bereiche eines Werkstücks, die nicht
gekühlt
werden sollen, durch unter Druck gehaltenen Dampf vor Kühlmittel
geschützt
werden. Das Werkstück
wird hierbei mit einer Ummantelung derart zu versehen, dass ein
erster Bereich mit einem Kühlmedium über Leitungswege
abgeschreckt wird und ein zweiter Bereich zum Schutz mittels eines
unter Druck gehaltenen Dampfes über
Leitungswege beaufschlagt wird.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen mit welchem
härtbare
Werkstücke nach
Aufnahme in einer Fixture zum Abkühlen innerhalb eines Vorgangs
in wenigstens zwei Werkstückzonen
mit unterschiedlichen Härtegraden
erreichbar, insbesondere einstellbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der
Aufgabe ist auf überraschende
Weise bereits durch ein Verfahren oder eine Vorrichtung mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gegeben.
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Vorteilhafte
und/oder bevorzugte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen über eine
Zeitdauer hinweg parallel wenigstens eine Zone eines erwärmten Werkstücks direkt
mittels eines Kühlmediums
und wenigstens eine andere Zone des Werkstücks indirekt mittels eines
Kühlmediums
abzukühlen.
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Eine
hierfür
erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung
umfasst eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen des Werkstückes, welche
Leitwege wenigstens eines Leitwegesystems zum Zuführen von Kühlmedien
umfasst, wenigstens einen zur Anlage an das aufzunehmende Werkstück ausgebildeten Wandungsbereich
aufweist, der zur indirekten Kühlung
des Werkstückes
auf einer von dem Werkstück abgewandten
Seite an einen Leitweg grenzt und wenigstens einen Wandungsbereich
aufweist, an welchem zur direkten Kühlung des Werkstückes ein
Leitweg zum aufzunehmenden Werkstück hin offen ist.
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Die
Leitwege zum Zuführen
von Kühlmedium zum
direkten Abkühlen
und zum Zuführen
von Kühlmedium
zum indirekten Abkühlen
sind kanal- und/oder schlitzartig ausgebildet.
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Aufgrund
der somit unterschiedlich verlaufenden Abkühlungsverläufe sind somit bereits bei Verwendung
gleicher Kühlmedien
oder desselben Kühlmediums
im Falle eines gemeinsamen Leitwegesystems nach Beendigung eines
einzigen Abkühlungszyklus
unterschiedliche Härtegrade
innerhalb eines Werkstückes
gewährleistbar.
Auch sind unterschiedliche Abkühlungsverläufe mehrerer
indirekt zu kühlender
Zonen je nach verwendeten Materialeigenschaften und -stärken für zur Anlage
an das aufzunehmende Werkstück
ausgebildete Wandungsbereiche voreinstellbar.
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Zur
weiter verbesserten Steuerung der Abkühlverläufe und somit der manipulierbaren
Härtegradzonen
sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, zur direkten
und indirekten Kühlung unterschiedliche
Kühlmedien
einzusetzen und/oder die Kühlmedium
basierten Abkühlprozesse
zeitlich versetzt zueinander zu starten und/oder zu beenden. Die
von der Aufnahmeeinrichtung umfassten Leitwege sind hierfür zweckmäßiger Weise
derart ausgebildet, dass ein zum aufzunehmenden Werkstück hin offener
Leitweg und ein an einen zur Anlage an das aufzunehmende Werkstück ausgebildeten
Wandungsbereich angrenzender Leitweg zu unterschiedlichen, voneinander
getrennten Leitwegesystemen gehören.
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Insbesondere
in Bezug auf eine zeitlich versetzte Beendigung von Kühlmedium-basierten
Abkühlprozessen
schlägt
die Erfindung vor die parallele direkte und indirekte Kühlung während einer
vorbestimmten Zeitdauer durchzuführen
und bei Erreichen der vorbestimmten Zeitdauer die direkte Kühlung und/oder
die indirekte Kühlung
mittels des entsprechenden Kühlmediums
zu beenden. Werkstoffspezifisch erforderliche Zeiten für einzustellende
Härtegradzonen
können
z.B. empirisch ermittelt werden.
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Ergänzend oder
alternativ ist vorgesehen, während
des Abkühlens
eine Werkstücktemperatur an
der indirekt abzukühlenden
Zone und/oder an der direkt abzukühlenden Zone zu messen und
bei Erreichen einer vorgegebenen Werkstücktemperatur die entsprechende
Kühlung
mittels des Kühlmediums
zu beenden.
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Die
Aufnahmeeinrichtung umfasst somit in bevorzugter Weiterbildung wenigstens
ein Thermometer zur Temperaturmessung einer Werkstückzone, welches
in zweckmäßiger Weise
in Kontakt zum Werkstück
am zur Anlage an das aufzunehmende Werkstück ausgebildeten Wandungsbereich und/oder
im zum aufzunehmenden Werkstück
hin offenen Leitweg angeordnet ist.
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In
besonders vorteilhafter Weiterbildung ist das wenigstens eine Leitwegesystems
folglich mit wenigstens einer Zeit- und/oder Temperatur basierten Kühlmediumzufuhrsteuerung
gekoppelt, so dass der Abkühlungvorgang
insgesamt automatisiert erfolgt.
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Die
Leitwege sind je nach härtbarem
Werkstück
oder erwünschtem
Abkühlverlauf
zum Zuführen
von Fluiden, z.B. von Wasser oder Öl, und/oder Gasen, z.B. von
Stickstoff, als Kühlmedium
für die
direkte und/oder indirekte Kühlung
ausgebildet.
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Gemäß bevorzugter
Ausführung
der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtung
zum definierten, kontrollierten Abkühlen eines Werkstücks mit
zonenweiser Einstellung von Härtegraden
dieses im Wesentlichen vollständig
umgibt ist. Zweckmäßige Ausführungen
der Aufnahmeeinrichtung sind ferner zum Aufnehmen eines im Wesentlichen
planaren oder eines geformten Werkstückes ausgebildet.
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Insbesondere,
um vielfältige
Werkstückgeometrien
abzudecken und/oder Härtungsvorgaben
zu genügen
ist die Aufnahmeeinrichtung in zweckmäßiger Weise mehrteilig, insbesondere
modulartig zusammensetzbar, wobei Leitwege anwendungsspezifisch
zwischen einzelnen, zusammengesetzten Teilen und/oder innerhalb
der zusammengesetzten Teile ausgebildet sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben. In der Zeichnung zeigt
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1 einen
skizzenhaften Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem darin aufgenommenen, Kugelsegment-artig geformten härtbaren
Werkstück
zur simultanen Herstellung von Werkstückzonen unterschiedlicher Härtegrade.
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In 1 ist
ein Ausschnitt einer eine erfindungsgemäße Aufnahmeeinrichtung 100 umfassenden
Vorrichtung skizzenhaft dargestellt. Die Aufnahmeeinrichtung 100 weist
eine Vielzahl von zusammengesetzten Modulen 110, 120, 130, 140, 150, 160 170 und 180 zur
Aufnahme eines Kugelsegment-artig geformten, zu härtenden
Werkstücks 10 auf.
Dieses wird von der im geschlossenen Zustand dargestellten Aufnahmeeinrichtung 100 im
wesentlichen vollständig
umschlossen.
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Im
vorliegenden Beispiel sei angenommen, dass das Werkstück 10 ein,
härtbaren
Stahl umfassendes Eggenrad ist. Hierbei ist erwünscht, dass die innere Zone 12 des
Eggenrades, über
welche die Lagerung erfolgt, eine gegenüber der äußeren, bei der späteren Verwendung
in den Boden eindringenden Zonen 11 und 13 des
Eggenrades geringere Härte aufweist.
Beispielsweise sollen die äußeren Zonen 11 und 13 eine
Rockwellhärte
HRC im Bereich zwischen 48 und 51 und die innere Eggenradzone 12 eine
Härte HRC
zwischen 38 und 42 aufweisen.
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Die
Module 120 und 160 der Aufnahmeeinrichtung weisen
jeweils einen unmittelbar am Werkstück anliegenden Wandungsbereich 121 bzw. 161 auf.
Der Wandungsbereich 121 liegt somit von einer Seite her
an der Werkstückzone 12 und
der Wandungsbereich 161 von der gegenüberliegenden Seite her an der
Werkstückzone 12 an.
Die Module 120 und 160 sind im Querschnitt in
etwa U-förmig
ausgebildet und nehmen jeweils ein Modul 130 bzw. 170 im Innern
auf. Zwischen den Modulen 120 und 130 sowie den
Modulen 160 und 170 sind jeweils kanalartige Leitwege 192 bzw. 195 zur
indirekten Kühlung
der Werkstückzone 12 ausgebildet.
Die Leitwege 192 und 195 sind an ein nicht dargestelltes
Leitwegesystem zum Zuführen
eines Kühlmediums,
z.B. von Wasser, angeschlossen.
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Die äußeren Werkstückzonen 11 und 13 werden
bei der darstellten Ausführungsform
von vier Modulen 110, 140, 150 und 180 umschlossen,
wobei jede der Zonen 11 und 13 jeweils durch zwei
Module 140 und 180 bzw. 110 und 150 umgeben
ist. Die Module 110, 140, 150 und 180 sind
hierbei so ausgebildet, dass im montierten, geschlossen Zustand
der Aufnahmeeinrichtung jeweilige Leitwege 191, 193, 194 und 196 zur
direkten Kühlung
der Werkstückzonen 11 und 13 zum
Werkstück
hin offen hin. Die Leitwege 191, 193, 194 und 196 sind
wiederum an ein nicht dargestelltes Leitwegesystem zum Zuführen eines
Kühlmediums,
z.B. gleichermaßen
von Wasser, angeschlossen.
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An
den Wandungsbereich 121 ist in Kontakt mit der Werkstückzone 12 ein
Thermometer 200 angeordnet, welches mit einer nicht dargestellten
Kühlmediumzufuhrsteuerung
verbunden ist.
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Sobald
das Werkstück 10 die
gewünschte Härtetemperatur
erreicht hat, wird die Aufnahmeeinrichtung 100 um das Werkstück geschlossen.
Fungiert die Aufnahmeeinrichtung gleichzeitig als Matrize, erhält das erwärmte Werkstück 10 zunächst seine Formgebung.
Nachdem sich das Werkstück 10 innerhalb
der geschlossen Aufnahmeeinrichtung 100 befindet, setzt
die Kühlung
ein. Wie vorstehend beschrieben sind hierzu die zur Kühlung vorgesehen Leitwege 191, 193, 194 und 196 innerhalb
der Aufnahmeeinrichtung 100 zur beidseitigen direkten Kühlung der
Werkstückzonen 11 und 13 ausgebildet
und die Leitwege 192 und 195 innerhalb der Aufnahmeeinrichtung 100 unter
Nutzung der Wandungsbereiche 121 und 161 zur beidseitigen
indirekten Kühlung der
Werkstückzone 12 ausgebildet.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit das gleichzeitige direkte und indirekte Kühlen von jeweils bestimmten
Werkstückzonen
eines zu härtenden
Werkstücks
während
eines Kühlungsvorganges.
Zeigt das Thermometer 200 eine vorbestimmte Abkühltemperatur
an, z.B. eine Temperatur von etwa 300°C, schaltet die Kühlmediumzufuhrsteuerung
die Kühlmediumzufuhr
der Leitwege 192 und 195 für die indirekte Kühlung der
Zone 12 ab. Die äußeren Zonen 11 und 13 werden
z.B. weiter mittels des Kühlmediums
gekühlt
und werden im Fall des beispielhaften Eggenrades bis auf die Temperatur
des Kühlmediums
abgekühlt.
Die bei Abschalten der indirekten Kühlung erreichte Temperatur
des Werkstücks 10 in
der inneren Zone 12 bewirkt parallel das Anlassen der Zone 12, bevor
diese weiter auf Raumtemperatur abkühlt. Ein solches Anlassen ermöglicht darüber hinaus
in Folge der verbleibenden Wärmereserve
während
des Kühlungsvorgang
das gezielte Ausbilden von Übergangszonen
zwischen den direkt und indirekt gekühlten Werkstückzonen,
so dass materialermüdende Spannungen
zwischen den äußeren Zonen 11 und 13 und
der inneren Zone 12, die nach dem beschriebenen Härten des
Werkstücks 10 eine
gegenüber den äußeren Zonen
wesentlich geringere Härte
aufweist, effektiv vermindert werden.
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Auch
wenn die Erfindung vornehmlich am Beispiel eines mit zwei unterschiedlichen
Härtegraden
zu fertigenden Eggenrades beschrieben wurde, ist für einen
Fachmann ersichtlich, dass auch Abwandlungen und Modifikationen
im Rahmen der Erfindung liegen.
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So
ist je nach Anforderung und Eigenschaft eines zu härtenden
Werkstück
z.B. für
die direkte und indirekte Kühlung
auch ein gemeinsames Leitwegesystem nutzbar. Ferner kann anstelle
einer Aufnahmeeinrichtung, die aus einer Vielzahl von Modulen anwendungsspezifisch
zusammengesetzt wird, insbesondere bei planaren Werkstücken z.B.
auch eine zwei Hälften
umfassende Aufnahmeeinrichtung zur erfindungsgemäßen Kühlung vorgesehen sein. Auch sind
die Leitwege je nach vorliegender spezifischer Geometrie und Anforderung
auf unterschiedliche Weise in der Aufnahmeeinrichtung ausbildbar
und anordenbar. So ist die vorstehend beschriebene Anordnung zur
beidseitig gleichartigen Kühlung
einer jeweiligen Zone lediglich beispielhaft. Darüber hinaus können auch
unterschiedliche Kühlmedien
für unterschiedlich
zu härtende
Werkstückzonen
eingesetzt werden und anstelle von Wasser z.B. auch Öl oder Gase
als Kühlmedien
verwendet werden.
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Die
Aufnahmeeinrichtung kann ferner unter gleichzeitiger Nutzung direkter
und indirekter Kühlung
für die
Herstellung eines zu härtenden
Werkstücks
mit mehr als den zuvor beschrieben Härtezonen ausgebildet sein,
wobei z.B. weitere im Innenbereich der Aufnahmeeinrichtung angeordnete
Thermometer, vorzugsweise im unmittelbaren Kontakt zum Werkstück, gegebenenfalls
auch an direkt zu kühlenden
Werkstückzonen,
zweckdienlich sind.
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Die
Erfindung umfasst ergänzend
oder alternativ zur Temperaturmessung ferner die manuelle oder automatische
Steuerung der Kühlmediumzufuhr unter
Vorgabe von vorbestimmten, einschließlich empirisch ermittelten
Zeitdauern der direkten und/oder indirekten Kühlung für das Einstellen unterschiedlicher
Härtegrade
an einem zu härtenden
Werkstück.