DE102005033042B3

DE102005033042B3 - Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke und Vorrichtung zur Durchführung

Info

Publication number: DE102005033042B3
Application number: DE200510033042
Authority: DE
Inventors: Bastian Grigo; Hubert Waltl; Peter Hochholdinger; Bernhard Arbesmeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-07-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke (2), wobei die Werkstücke (2) nach Durchlaufen eines Ofens (7, 8, 9; 23) im Zuge eines sich anschließenden Umformprozesses einem definierten, von der Werkstück-Werkstoffzusammensetzung und/oder dem gewünschten Gefügeaufbau abhängigen Abkühlprozess unterzogen werden. DOLLAR A Eine Optimierung der Prozessabläufe hinsichtlich der Energiebilanz ergibt sich dadurch, dass die beim Abkühlprozess werkstückseitig freigewordene Wärmeenergie für eine Werkstück-Vorwärmung vor dem Umformprozess verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, wobei die Werkstücke nach Durchlaufen eines Ofens im Zuge eines sich anschließenden Umformprozesses einem definierten, von der Werkstück- Werkstoffzusammensetzung und/oder dem gewünschten Gefügeaufbau abhängigen Abkühlprozess unterzogen werden.

Derartige Wärmebehandlungsverfahren, beispielsweise auch in Verbindung mit Umformprozessen, sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 100 49 660 A1 ein Verfahren zum Herstellen lokal verstärkter Blechumformteile, wobei ein gepatchtes Verbundblech vor dem Umformen auf etwa 800 bis 850°C erwärmt wird, rasch in ein Werkzeug eingelegt, im Warmzustand zügig umgeformt und anschließend bei mechanischer Fixierung des Umformzustandes durch Kontaktierung mit dem von innen her zwangsgekühlten Umformwerkzeug definiert abgekühlt wird. Zusätzlich sind weitere, sich äquidistant anschließende Fixierwerkzeuge vorgesehen, die ebenfalls gekühlt werden. Diese weiteren Werkzeuge dienen im Wesentlichen dazu, die warmumgeformten Verbundbleche in weiteren, aufeinanderfolgenden Stufen abzukühlen, was die Zykluszeit gegenüber einer ein- oder zweistufigen Abkühlung stark verkürzt.

Die DE 101 35 647 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Blechumformteiles mit Korrosionsschutz und ein nach diesem Verfahren herge stelltes Blechumformteil. Auch hier wird die sogenannte Warmumformung eingesetzt und um eine rationelle Massenfertigung zu gewährleisten wird das umgeformte Bauteil nach der ersten Abkühlphase vom Umformwerkzeug in ein Fixierwerkzeug transferiert, in dem es unter Aufrechterhaltung des Fixierungszustandes weiterhin abgekühlt wird. Auch hier ist also eine mindestens zweistufige Abkühlung vorgesehen, um die Taktzeit weiter zu verkürzen. Als Kühlmedium kommen dabei Luft, Luft/Wassernebel-Gemisch und Luft/Flüssigluft-Gemisch in Betracht.

Ebenfalls mit der Warmumformung befasst sich die DE 103 14 115 A1 , die ein Verfahren zur Umformung einer Platine aus einem Vergütungsstahl und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschreibt. Dabei ist wenigstens einer Presse zur Herstellung eines weichen Vorfertigbauteiles ein Ofen nachgeordnet und diesem sind eine steuerbare Transportvorrichtung und ein Vergütungs-/Abkühlwerkzeug zugeordnet, wobei dieses Werkzeug, die Transportvorrichtung und wenigstens der Ausgang des Ofens in einem Raum mit Schutzgasatmosphäre aufgenommen sind.

Der Vollständigkeit halber wird noch auf das ältere, nicht vorveröffentlichte Patent DE 10 2004 007 071 B4 der Anmelderin verwiesen. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles durch Umformen einer beschichteten Platine aus einem Vergütungsstahl beschrieben, wobei die Platine vor dem Umformen über eine erste Wärmebehandlung austenitisiert wird, wobei sich darüber hinaus ein Schichtdickenwachstum vollzieht. Nach einem raschen Abkühlen wird die wärmebehandelte Platine zwischengelagert, während unmittelbar vor dem Umformen zum Bauteil die Platine einer erneuten, kurzzeitigen Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur unterzogen wird und nach erfolgter Gefügeumwandlung das Umformen und Härten der Platine vonstatten geht.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke im Zuge von Umformprozessen mit damit einhergehenden Aufheiz- und Abkühl-/Abschreckvorgängen hinsichtlich der Energiebilanz zu optimieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst. Zur Verfahrensdurchführung besonders geeignete Vorrichtungen sind mit den Patentansprüchen 6 und 7 beansprucht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
1 eine schematisierte Darstellung einer Warmumformanlage mit erfindungsgemäßer Wärmerückführung,
2 wiederum in schematisierter Darstellung eine der Anlage gemäß 1 im Wesentlichen entsprechende Warmumformanlage mit zwischengeschaltetem Wärmetauscher und
3 eine Innenansicht eines der Wärmerückführung dienenden Kühltunnels mit Blickrichtung gemäß Pfeil III in den 1 und 2 Mit einer in 1 dargestellten Anlage 1 lässt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke 2, beispielsweise Platinen, im Zuge von Umformprozessen zur Herstellung von beispielsweise Karosseriebauteilen für Kraftfahrzeuge durchführen. Die Werkstück- Transportrichtung ist durch Pfeil 3 gekennzeichnet.
Dabei gelangt das Werkstück 2 zunächst in eine Vorwärmstation 4, wo es von aus einer Wärmerückführleitung 5 einströmenden aufgeheizten Luft 6 beaufschlagt und auf diese Weise in beträchtlichem Masse vorgewärmt wird. In diesem Zustand durchläuft das Werkstück 2 der Reihe nach zunächst einen Durchlaufofen 7 und danach einen Drehherdofen 8, wobei beide über eine thermische Kapselung 9 miteinander verbunden sind.
Im Durchlaufofen 7 wird das Werkstück 2 z. B. auf Austenitisierungstemperatur erhitzt, die beispielsweise bei 950°C liegen kann. Denkbar wäre aber auch, den Durchlaufofen 7 als sogenannten "Übertemperaturofen" bei ca. 1100°C zu betreiben beziehungsweise ihn dahingehend auszulegen.
Unmittelbar nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird das Werkstück 2 unter Zwischenschaltung der thermischen Kapselung 9 an den Drehherdofen 8 übergeben. Die thermische Kapselung 9 ist eine nahezu luftdichte Verbindung zwischen Durchlaufofen 7 und Drehherdofen 8; sie ist in der Regel innenseitig verspiegelt und vermeidet so Wärmeverluste des heißen Werkstückes 2 durch Konvektion (luftdicht!) und Wärmestrahlung (verspiegelt!).
Der Drehherdofen 8 wird konstant mit der gewünschten Werkstücktemperatur betrieben. Das Werkstück 2 verbleibt mindestens bis zum Erreichen der notwendigen Eigenschaften einer eventuell vorhandenen Beschichtung bzw. bis zur Entnahme zum Zwecke der Umformung oder bis zum Erreichen der technologisch definierten Streckgrenze im Drehherdofen B. Solche Öfen sind in verschiedenen baulichen Varianten im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Dabei kann es sich auch um zwei hintereinander geschaltete Öfen bzw. Zwillingsöfen handeln ( DE 87 11 235 U , DE 84 21 677 U , DE 34 41 338 A ) und es ist auch bekannt, zwei oder mehrere Be- und Entladeöffnungen je Drehherdofen vorzusehen ( DE 1 03 10 739 A , DE 202 202 40 U1 ).
An den Drehherdofen 8 schließt sich ein Umformwerkzeug 10 an, wobei es sich um eine Tiefziehpresse mit im Stand der Technik hinlänglich bekanntem Aufbau handeln kann. Die Werkstückübergabe wird von einem zwischengeschalteten Transferroboter 12 bzw. dessen Greifereinheit 13 übernommen.
Nach dem Umformen wird ein auf diese Weise aus dem Werkstück 2 nun entstandenes Bauteil 14 bei noch geschlossenem Werkzeug abgekühlt. Zu diesem Zweck findet ein wassergekühltes Werkzeug Verwendung. Neben der Umformung findet also auch ein Härten des Werkstückes 2 bzw. des hergestellten Bauteiles 14 statt. Das auf diese Weise thermisch behandelte Bauteil 14 könnte nun entsprechend gelagert an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Eine wesentlich schnellere Abkühlung und von daher wesentliche Taktzeitreduzierung des Gesamtprozesses ist dadurch erreichbar, dass das Bauteil 14 unmittelbar nach der Umformung über ein Transferband 15 einem Kühltunnel 16 zugeführt wird.
Wie sich aus der Zusammenschau der 1 und 3 ergibt ist der Kühltunnel 16 deckenseitig mit einer Anzahl Ventilatoren 17 bestückt, die über entsprechende bodenseitige Öffnungen Raumluft (Pfeile 18) ansaugen, wobei diese an den heißen Bauteilen 14 vorbeistreicht und sich dabei erwärmt bzw. die Bauteile 14 beschleunigt abkühlt. Die Ventilatoren 17 sind an Rahmenelementen 19, 20 befestigt. Die entsprechend aufgeheizte Luft 6 wird, wie bereits vorstehend erwähnt, über die Wärmerückführleitung 5 der Vorwärmstation 4 zugeführt. Das gleichzeitig in kürzerer Zeit abgekühlte Bauteil 14 kann dadurch nach relativ kurzer Verweildauer im Kühltunnel 16 über ein Entnahmeband 21 herausbefördert werden.
Eine etwas geänderte Ausgestaltung einer entsprechenden Anlage 22 zur Verfahrensdurchführung ist in 2 gezeigt. Die gegenüber der Ausführungsform nach 1 bau- und funktionsgleichen Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein näheres Eingehen darauf erübrigt sich von daher. Anstatt Durchlaufofen, thermische Kapselung und Drehherdofen ist nun alleinig ein allerdings entsprechend größer dimensionierter Durchlaufofen 23 vorgesehen. Die wesentliche Ergänzung gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 besteht allerdings darin, dass kurz nach Verlassen des Kühltunnels 16 die aufgeheizte Luft 6 durch einen Wärmetauscher 24 hindurchgeleitet und dabei durch heißes Kühlwasser weiter aufgeheizt wird. Dieses Kühlwasser wird gekühlten Werkzeugteilen, beispielsweise einer Matrize 25, des Umformwerkzeuges 10 entnommen und über Vor- und Rück laufleitung 26, 27 mit dem Wärmetauscher 24 im Kreislauf gehalten. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine weitere Optimierung der Energiebilanz der Anlage 22. Gekühlte Umformwerkzeuge sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, vgl. z. B. DE 44 30 825 A1 .
In einer alternativen Ausgestaltung wäre denkbar, dass die der Werkstück-Vorwärmung dienende Energie allein durch das Werkzeug-Kühlwasser bereitgestellt wird. Die zusätzliche Einbeziehung eines Kühltunnels 16 bzw. dessen Vorhandensein wäre von daher entbehrlich. In diesem Falle würden Vor- und Rücklaufleitungen 26, 27 die Wärmeenergie über den Kühlmittel/Luft-Wärmetauscher 24 unmittelbar in die Wärmerückführleitung 5 einleiten.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, wobei die Werkstücke nach Durchlaufen eines Ofens im Zuge eines sich anschließenden Umformprozesses einem definierten, von der Werkstück- Werkstoffzusammensetzung und/oder dem gewünschten Gefügeaufbau abhängigen Abkühlprozess unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Abkühlprozess frei werdende Wärme für eine Werkstück-Vorwärmung vor dem Umformen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) vor dessen Eintritt in den Ofen (7; 23) vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlprozess durch Erzeugen eines am im Zuge des Umformprozesses hergestellten Bauteiles (14) vorbeistreichenden Luftstromes beschleunigt wird, wobei diese Luft (6) für die Werkstück-Vorwärmung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie zur Werkstück-Vorwärmung einem der Kühlung eines Umformwerkzeuges (10) dienenden Kühlmittel entnommen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie zur Werkstück-Vorwärmung sowohl dem am abzukühlenden Bauteil (14) vorbeistreichenden Luftstrom als auch dem Kühlmittel zum Kühlen des Umformwerkzeuges (10) entnommen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei umzuformende Werkstücke (2) zum Zwecke des Aufheizens eine Ofenanlage (7, 8, 9; 23) durchlaufen und über eine Transfereinheit (12, 13) einem Umformwerkzeug (10) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Umformwerkzeug (10) ein Kühltunnel (16) anschließt, der deckenseitig mit einer Anzahl Ventilatoren (17) bestückt ist, die über entsprechende bodenseitige Öffnungen Raumluft ansaugen und wobei die auf diese Weise aufgeheizte Luft (6) über eine Wärmrückführleitung (5) einer der Ofenanlage (7, 8, 9; 23) vorgeschalteten Vorwärmstation (4) zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei umzuformende Werkstücke (2) zum Zwecke des Aufheizens eine Ofenanlage (7, 8, 9; 13) durchlaufen und über eine Transfereinheit (12, 13) einem Umformwerkzeug (10) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmerückführleitung 5 vorgesehen ist, die aufgeheizte Luft (6) einer der Ofenanlage (7, 8, 9; 23) vorgeschalteten Vorwärmstation (4) zuführt, wobei in die Wärmerückführleitung (5) ein Wärmetauscher (24) zwischengeschaltet ist, der über Vor- und Rücklaufleitung (26, 27) mit einem Werkzeug-Kühlkreislauf des Umformwerkzeuges (10) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeauscher (24) dem Kühltunnel (16) nachgeordnet ist.