DE102005018974A1

DE102005018974A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von elektrisch leitfähigen unbeschichteten oder beschichteten Platinen

Info

Publication number: DE102005018974A1
Application number: DE102005018974A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Zöphel; Lonka Bürgel; Anatol Geilfuss
Original assignee: KUKA Werkzeugbau Schwarzenberg GmbH
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2005-04-23
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2025-04-24
Also published as: DE102005018974B4

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Erwärmen von elektrisch leitfähigen unbeschichteten oder beschichteten metallischen Platinen mittels Stromdurchfluss wird das Material in mindestens einer Bearbeitungsstation aufgenommen und in dieser durch zwischen mehreren Kontaktelementen über die Platine fließenden Strom erwärmt oder auf einer Temperatur über der Raumtemperatur gehalten. Die Platinen werden ohne Unterbrechung des Stromflusses einer weiteren Bearbeitungsstation zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von elektrisch leitfähigen unbeschichteten oder beschichteten metallischen Platinen, wobei die Platinen mittels mindestens zwei elektrischen Kontaktelementen aufgrund des fließenden elektrischen Stromes erwärmt werden. Die Platinen werden gegebenenfalls in nachfolgenden Fertigungsstufen umgeformt und/oder zum Härten wärmebehandelt.
Bei heutigen Verfahren der Warmumformung bzw. des Presshärtens von un- oder beschichteten metallischen Platinen werden diese in einem Induktionsofen oder einem gasbefeuerten Ofen erwärmt und eine bestimmte Zeit auf einer bestimmten Temperatur gehalten, danach aus dem Ofen entnommen und mittels einer meist manuellen Zuführstation "von Hand" mittels Zangen im Umformwerkzeug eingelegt. Das Werkzeug übernimmt die Funktion des Umformens und der Werkstoffhärtung (Vergütung). Der Temperaturbereich und die Haltezeit werden von dem Stahlhersteller in der Regel empfohlen. Während der Transferzeit kühlen sich die erhitzten un- oder beschichteten metallischen Platinen ab. Einerseits sind derzeit die Transferzeiten prozessbedingt zu lang. Hierbei kühlt sich die metallische Platine auf einen Wert unterhalb der vom Stahllieferanten vorgeschlagen kritischen Temperatur ab, so dass gewünschte Zieleigenschaften nicht eingestellt werden können. Andererseits sind die Transferzeiten nicht reproduzierbar. Individuelle personengebundene Transfers und die Störanfälligkeit der Systeme während des Transfers führen zu unterschiedlichen Transferzeiten und damit zu unterschiedlicher Abkühlung während des Transfers. Daraus resultieren unterschiedliche Festigkeiten bei Bauteilen des gleichen Typs, da die Härtung bzw. Vergütung möglichst bei festgeschriebenen Temperaturen erfolgen sollte.
Bei einer direkten Erwärmung beispielsweise mittels Induktionsofen besteht ein geometrieabhängig schlechter Wirkungsgrad von 10–65%. Hinzu kommen über die Fläche der Platinen gegebenen Temperaturunterschiede durch den Skin-Effekt.
Bei einer indirekten Erwärmung mittels gasbefeuerter Öfen oder elektrisch betriebener Strahler ist der Wirkungsgrad funktionstechnisch auf ca. 40% begrenzt. Insbesondere die schlechte Übertragbarkeit der Wärme ist hier von Nachteil.

Die DE 41 26 175 A1 zeigt eine Erwärmungseinrichtung aus zwei beispielsweise von zu walzenden Endloswerkstücken, wie Draht, Stäben, Rohren, Profilen oder Bändern, angeordnete Walze als Kontaktelemente. Die Erwärmung erfolgt mittels Stromdurchfluss quer zur Materialförderrichtung über Kontaktelemente.

Die bekannte Vorrichtung ist für homogene Endlos-Werkstücke geeignet, nicht aber für Werkstücke mit inhomogener Massenverteilung, wie Formzuschnitten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Erwärmen von inhomogenen, unsymmetrischen metallischen Platinen zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an der Platine verteilt eine Mehrzahl von Kontaktelementen zur großflächigen gleichmäßigen Erwärmung des Materials angeordnet werden. Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Lösung der Aufgabe dadurch gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen an der Blechplatine zu positionierenden Kontaktelementen zur Erwärmung der Platine.

Die Erfindung sieht eine Mehrzahl von Kontaktelementen, also mindestens mehr als zwei Kontaktelemente vor. Vorzugsweise liegt die Anzahl der Kontaktelemente bei vier und mehr, wobei diese vorzugsweise paarweise vorgesehen sind, so dass die Erfindung bevorzugt mehr als ein Kontaktelementenpaar beinhaltet.

Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:

1. Erreichung eines hohen Wirkungsgrades bei der Erwärmung.
2. Vermeidung bzw. bestmögliche Verringerung der Abkühlung während des Transfers.
3. Herstellung reproduzierbarer Transferzeiten.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Erwärmungsstation, erfolgt über eine gewisse Haltezeit die Kristallisation des metallischen Werkstoffes. In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Platinen beidseitig über Kontaktele mente aufweisende Kontaktklemmen gehalten werden, wobei insbesondere die Platinen unter einem bestimmten Druck der Kontaktklemmen aufgenommen werden. Die Vorrichtung ist demgemäß bevorzugt dadurch ausgebildet, dass die Kontaktelemente als Kontaktklemmen ausgeführt sind, die die un- oder beschichteten metallischen Platinen beidseitig aufnehmen, wobei insbesondere die Kontaktklemmen mit einem bestimmten Druck schließbar sind und weiterhin zunächst ein Teil der Kontaktklemmen zweckmäßig bezüglich dem Grundgestell beweglich gelagert sind.

Die Erfindung beinhaltet insbesondere ein gesteuertes Erwärmen von Blechplatinen (dünnwandiger Körper) und ein Halten derselben auf der Austenitisierungstemperatur. Die Wärmebehandlung findet im Transfer statt. Die Platine wird dabei am Blechrand gehalten. Zwischen der Platine und den Klemmen findet während des Transfers keine Relativbewegung statt.

Derart ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erwärmung der Werkstücke gleichzeitig als Transfereinrichtung ausgebildet, über die die Platinen unter Stromdurchfluss einer Umformstation zugeführt werden. In der Vorrichtung wird die un- oder beschichtete metallische Platine auf die durch den Stahlhersteller empfohlenen Temperatur erhitzt und während des Transfers in das Warmumformwerkzeug auf dieser Temperatur gehalten, so dass die beheizte un- oder beschichtete metallische Platine auf diesem Wege keine Abkühlung erfährt. Die weitgehend gleichmäßig beheizte un- oder beschichtete metallische Platine wird mit der durch den Stahlhersteller vorgegebenen Temperatur in das Warmumformwerkzeug eingelegt. Somit wird gewährleistet, dass sich die Platine bis zum Schließen des Werkzeugs nur minimal abkühlt. Die Umformung erfolgt in dem vom Materialhersteller vorgegebenen Temperaturbereich mit einer Umformrate und bei einer Mindestabkühlrate, so dass die Materialeigenschaften des Bauteils optimiert werden.

Die zu erwärmende Platine wird der Erwärmungseinrichtung manuell oder automatisiert zugeführt. Mehrere Kontaktelemente nehmen an geeigneten Stellen die un- oder beschichtete metallische Platine auf – der Stromkreis wird so geschlossen. Infolge des Innenwiderstandes wird die un- oder beschichtete metallische Platine auf eine bestimmte Temperatur gleichmäßig erwärmt und/oder auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Durch eine hohe Leistungsdichte zwischen Kontaktelementpaaren wird ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet. Um in ein und derselben Erwärmungsstation verschiedene Platinenformen aufnehmen zu können, empfiehlt es sich, die Kontaktelemente verschiebbar auszuführen.

Durch die Ausbildung der Kontaktelemente als Kontaktklemmen, wie Klemmbacken, die das Blech unter einem bestimmten Druck aufnehmen und so eine flächige, beidseitige Aufnahme realisieren, wird auch Funkenbildung vermeiden. Um den Druck gezielt steuern zu können, empfiehlt sich eine pneumatische (gegebenenfalls hydraulische) Ausführung des Schließmechanismus der Kontaktelemente.

Ein weiterer Vorteil ist die Verwendbarkeit von Gleichstrom, wodurch ein Skin-Effekt bei Induktionserwärmung ausgeschlossen werden kann. Im Bedarfsfall ist die Anwendung von Wechselstrom möglich.

Um den Stromfluss gezielt steuern zu können empfiehlt sich die Verwendung eines Leistungsreglers im Stromkreis.

Zur Messung der Temperatur ist es sinnvoll eine Temperaturmesseinrichtung wie in Form von Temperaturdetektoren vorzusehen.

Hierbei empfiehlt sich die Verwendung einer automatisierten Rückkopplung zwischen Temperaturdetektor und Leistungsregler. Die durch eine Steuerung verarbeiteten Signale des Temperaturdetektors führen über einen Vergleich zum Temperatursollwert zur Erhöhung bzw. Erniedrigung des Stromflusses. Als Sensoren zur Temperaturerfassung können beispielsweise Thermoelemente oder Pyrometer eingesetzt werden. Zur großflächigen Temperaturerfassung ist die Verwendung von Thermografie(kamera) vorteilhaft. Als Leistungsregler empfehlen sich beispielsweise Thyristoren.

Entsprechend der Erfindung sind die Kontaktklemmen isoliert zueinander und zur Anlage ausgeführt. Zur Kompensation der Materialausdehnung sind entsprechend der Ausdehnungsrichtung mehrere Kontaktelemente bezüglich des Grundgestells beweglich gelagert. Um einen optimalen Stromübergang zu erreichen, empfiehlt es sich, die Kontaktelemente aus einem dem zu erwärmenden Material angepassten Material auszuführen, oder diese zumindest mit einem solchen zu beschichten. Dies hat außerdem einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer der Kontakte. Um eine homogene Erwärmung der un- oder beschichteten Formplatine zur erreichen, ist es vorteilhaft, eine Teilung des Stromkreises in mehrere voneinander unabhängige und unabhängig regelbare Abschnitte vorzunehmen. So lässt sich durch unterschiedliche Stromzufuhr in verschiedenen Teilstromkreisen eine beliebige Platinenform zweckmäßig homogen erwärmen. Ideal, jedoch nicht immer notwendig, wäre ein unabhängiger Stromkreis für jedes Kontaktelementpaar.

Gemäß bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Platine samt angeschlossener Klemmen bezüglich dem Grundgestell als Art Schlitten oder Greifarmeinrichtung verfahren bzw. bewegt werden. Dies geschieht zweckgemäß manuell oder motorisch.

Zur Gewährleistung reproduzierbarer Erwärmungs-, Transfer- und Abkühlzeiten ist eine Kopplung der Steuerungen von Erwärmungsstation und vor- bzw. nachgeschalteten Stationen sinnvoll.

Zur Abfuhr übertragener Wärme und zur Gewährleistung konstanter Temperaturverhältnisse ist das Einsetzen gekühlter Kontaktelemente vorteilhaft.

Die Kontaktklemmen sind zu den Führungselementen, weiteren Maschinenelementen und dem Grundgestell wärmeisoliert ausgeführt, um einen Temperatureinfluss auf die Funktion der Anlage, der Personal- und Maschinenumgebung zu verhindern.

Um Verzunderung, Randentkohlung oder sonstigen Gefügeveränderungen vorzubeugen, kann der Einsatz von Schutzgas notwendig sein. Dieses kann zweckgemäß partiell, z.B. nur an den Kontaktklemmen oder großflächig zum Einsatz kommen. Hierbei können beispielsweise Schutzgasschleusen zum Einsatz kommen. Bei erfindungsgemäßem Einsatz des Schutzgases, des Verfahrens und der Vorrichtung sind keine negativen Beeinflussungen des Materials zu erwarten.

Einsatzfelder der Erfindung sind insbesondere:

– Halbwarm- oder Warmumformung, bei der das Material auf eine definierte Temperatur erhitzt und anschließend umgeformt wird. Dies geschieht zweckgemäß beispielsweise in einer Presse mit einem temperierten Umformwerkzeug.
– Werkstoffvergütung/Wärmebehandlung bei der das Material vorher auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden muss.

Entsprechend der Erfindung kann durch die Erwärmung einer un- der beschichteten Platine eine Warmumformung und zusätzlich die Werkstoffhärtung erfolgen. Die Erfindung dient als Aufheizstation und/oder als Station zur Temperaturerhaltung und als Transferstation. Ein Umformwerkzeug übernimmt im Anschluss an die Erwärmung die Umformung und Werkstoffhärtung (Härten durch Abschrecken im gekühlten Werkzeug), man spricht dabei von Presshärten. Vor der erfindungsgemäßen elektrischen Aufheizeinrichtung kann gegebenenfalls eine weitere gleichartige oder andersartige Erwärmungseinrichtung vorgeschalten sein, die das Aufheizen und Halten (zur Kristallisation) der Bleche auf einer bestimmten Temperatur übernimmt. In diesem Fall würde die Erfindung eine Platinen-Transfereinrichtung darstellen, die Platinen aus der vorgeschalteten Erwärmungseinrichtung gegebenenfalls automatisiert entnimmt und unter Stromdurchfluss zur Verhinderung der Abkühlung dem Umformwerkzeug zuführt. Dadurch kann ein vollständiger Umform- und Wärmebehandlungszyklus durchgeführt werden der unter vollständiger Kontrolle der Platinentemperatur abläuft. Nachteile, wie die Reproduzierbarkeit der Transferzeiten oder die Abkühlung während des Transfers werden minimiert bzw. ausgeschlossen.

Nachfolgend werden vorteilhafte Lösungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ausführung anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert. Es zeigen:

1 eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Erwärmungsstation für un- oder beschichtete metallische Platinen; und

2 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Erwärmungsstation für un- oder beschichtete metallische Platinen.

Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung mit einem Grundgestell 10, sowie einem ersten Führungsgestell 8 und einem zweiten Führungsgestell 9, welche über entsprechende Laufräder 11 auf Schienen 12 bewegbar sind. Diese bilden einen Unterbau der Vorrichtung. Un- oder beschichtete Platinen 1 werden durch Kontaktklemmen 2 in die Erwärmungseinrichtung aufgenommen. Die Platinen 1 werden dabei zwischen zwei Kontaktelementen 2 eingespannt. Es besteht so ein flächiger Kontakt zwischen Klemmen und Platine. Die Kontaktklemmen 2 schließen pneumatisch (ggf. hydraulisch) 3 über eine entsprechende Einrichtung 4. Diese Einrichtung 4 ist samt Schließpneumatik 3 und Kontaktklemmen 2 zur Einstellung verschiedener Platinenformen über eine Schiene 5 verstellbar. Die Schließpneumatik 3 ermöglicht die Aufnahme verschiedener Blechdicken. Weiterhin wird über eine motorische Steuerung der Schiene 5 Raum zur Aufnahme von Platinen beispielsweise von einem Platinenstapel bzw. zum "Fallenlassen" in einer nachgeschalteten Bearbeitungsstation geschaffen. Zur Grobeinstellung der Platinenbreite ist ein Oberbau O der Einrichtung bezüglich des Unterbaus U in Querrichtung verschiebbar. Zur Kompensation der Längenausdehnung der Platine 1 infolge der Erwärmung ist die Schiene 5 beweglich gelagert. Zur Abfuhr entstehender Verlustwärme ist eine Kühlungseinrichtung 13 für die Kontaktelemente 2 in Form eines Kühlwasserkreislaufes installiert. Zur Verfahrbewegung der Platine 1 samt den Verbindungsteilen 2–5 in Längsrichtung ist eine Teleskopführung 7 angebracht, die zwischen der Schienenführung 6 und dem ersten Führungsgestell 8 positioniert ist. Der Ver fahrweg wird zweckmäßig eingestellt, sinnvollerweise aber mindestens so groß wie die Platinenlänge. Er dient dazu, die Platine bei vor- oder nachgeschalteten Stationen aufzunehmen oder abzugeben.

2 ist eine Draufsicht, unterteilt in die Bereiche A-A, B-B und C-C. Diese sind als Schnitte in 1 dargestellt. Gleiche Bauteile bzw. Baugruppen werden nur noch zum Teil erwähnt. Es werden aufgrund der weitgehenden Gleichartigkeit nur Ausschnitte betrachtet. Aufgrund der angelegten Spannung an Anschlüssen 15–20 und des Kontaktes zwischen den Kontaktelementen 2 und der Platine 1 fließt Strom zwischen den Kontaktelementpaaren 2a, 2b, ..., 2e. Infolge des elektrischen Widerstandes wird die Platine 1 erwärmt. Um eine homogene Erwärmung zu erreichen, fließt der Strom über unabhängige und getrennt regelbare Stromkreise 15–16, 17–18, 19–20.

1: Platine
2: Kontaktklemme
2a–2e: Kontaktelementpaare
3: Schlieflpneumatik/-hydraulik
4: Einrichtung
5: Schiene
6: Schienenführung
7: Teleskopführung
8: erstes Führungsgestell
9: zweites Führungsgestell
10: Grundgestell
11: Laufräder
12: Schienen
13: Kühlung
15–20: Anschlüsse
A-A: Bereich
B-B: Bereich
C-C: Bereich
O: Oberbau
U: Unterbau

Claims

Verfahren zum Erwärmen von elektrisch leitfähigen unbeschichteten oder beschichteten metallischen Platinen, wobei die Platinen mittels mindestens zwei elektrischen Kontaktelementen aufgrund des fließenden elektrischen Stromes erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass an der Platine verteilt eine Mehrzahl von Kontaktelementen zur großflächigen gleichmäßigen Erwärmung des Materials angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinen beidseitig über Kontaktelemente aufweisende Kontaktklemmen gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinen unter einem bestimmten Druck der Kontaktklemmen aufgenommen werden.
Verfahren nach einem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kontaktklemmen unter schiedliche elektrische Potentiale aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinen aufgrund von Stromdurchfluss auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden und/oder auf dieser gehalten werden.
Verfahren nach einem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Temperaturmesseinrichtung, wie Temperaturfühlern (Pyrometer), einer Thermografiekamera oder dergleichen, großflächig die Temperatur der Platine gemessen wird und die Signale der Temperaturmesseinrichtung zur Steuerung der Stromdurchflüsse durch die Platine zwecks kontrollierter Temperierung eingesetzt werden.
Vorrichtung zur Erwärmung von elektrisch leitfähigen un- oder beschichteten metallischen Platinen mit mindestens zwei elektrischen Kontaktelementen, die mit dem un- oder beschichteten metallischen Material in Berührung bringbar sind, um aufgrund des fließenden elektrischen Stroms die Platine zu erwärmen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen an der Blechplatine zu positionierenden Kontaktelementen zur Erwärmung der Platine.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (2) als Kontaktklemmen ausgeführt sind, die die un- oder beschichteten metallischen Platinen (1) beidseitig aufnehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch beim Schließen einen bestimmten Druck auf die Platinen ausübenden Kontaktklemmen (2).
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Teil der Kontaktklemmen (2) zweckmäßig bezüglich dem Grundgestell beweglich gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Gleich- oder Wechselstrom über geeignete Zuleitungen auf den Kontaktklemmen (2) zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass einem Stromkreis für die Kontaktelemente (2) ein Leistungsregler zugeordnet ist, der eine kontrollierte Erwärmung gewährleistet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar ein Temperaturdetektor vorgesehen ist.
Vorrichtung nach den Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsregler und Temperaturdetektor gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur optimalen Temperatursteuerung getrennt regelbare Stromkreise installiert vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemmen aus einem an die zu erwärmende Platine angepassten Material beschaffen sind, oder zumindest eine, dem Material der Platine (1) entsprechende Beschichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungen vor- und/oder nachgeschalteter Stationen mit der Steuerung der Kontaktelemente (2) gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verlustwärmeabfuhr an oder in den Kontaktklemmen Kühleinrichtungen angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktklemmen zueinander und zum Grundgestell isoliert ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, gekennzeichnet, durch eine Einrichtung zur Zuführung von Schutzgas, um Materialbeeinflussungen auszuschließen.