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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum partiellen Härten eines metallischen Werkstücks,
insbesondere von platinenartig zugeschnittenen Stahlteilen, insbesondere zur
Verwendung im Kraftfahrzeugbereich. Daneben betrifft die Erfindung
auch entsprechend hergestellte oder bearbeitete metallische Werkstücke.
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Stand der Technik
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Im
Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend speziell an die vorgegebenen
Belastungsanforderungen angefertigte Karosserieteile verwendet.
Je nach vorgesehenem Einsatzzweck solcher Karosserieteile oder Tragstrukturkomponenten
müssen diese vorgegebene Belastungsanforderungen erfüllen.
Beispielsweise ist bei einer B-Säule einer Kraftfahrzeugkarosserie
vorgesehen, dass diese im Thorax-Bereich, also in einem in Vertikalrichtung
gesehenen mittleren Abschnitt, eine verhältnismäßig
hohe Struktursteifigkeit aufweist, während sie in den oben
und unten an die Kraftfahrzeugkarosserie angrenzenden Bereichen
eine geringere Steifigkeit und somit eine leichtere Verformbarkeit
aufweisen soll.
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Ein
solches Anforderungsprofil kann beispielsweise mittels sogenannter
Tailor Welded Blanks oder Tailor Welded Coils erreicht werden. Hierbei
werden Werkstoffe, etwa Stahlplatinen oder Bandstahl unterschiedlicher
Güte, Härte und/oder unterschiedlicher Geometrie
zusammengefügt, bevor ein auf diese Art und Weise zusammengefügtes Ausgangswerkstück,
etwa durch ein Kalt- oder Warmumformverfahren in die gewünschte
Kontur gebracht wird.
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Die
Verwendung solcher Tailored Blanks oder Tailored Coils ist verhältnismäßig
kostenintensiv, da das Ausgangswerkstück vor der eigentlichen formgebenden
Bearbeitung einem Fügeverfahren unterzogen werden muss.
Zudem treten bei einem anschließenden Warmumformprozess
gravierende Probleme auf. Denn durch die Hitzeeinwirkung können
Veränderungen in der Schweißnaht auftreten, die
schließlich beim Fertigteil Schweißnahterweichungen
nach sich ziehen können, welche mit einer Qualitäts-
und Funktionalitätseinbuße einhergehen.
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So
offenbart die
DE 36
18 093 A1 beispielsweise eine selbsttätige Vorrichtung
zum Induktionshärten von Teilen von Kettengliedern, welche
einen Rahmen zum Tragen von Induktionseinrichtungen umfasst. Der
Rahmen kann in einer horizontalen Ebene oberhalb der zu härtenden
Kettenglieder hin- und herschwingen, sodass die Induktionseinrichtung Kettenglieder
verschiedener Größen und Formen durch Änderung
des Schwingungswegs des Rahmens induktiv härten kann.
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Des
Weiteren ist beispielsweise aus der
DE 692 27 763 T2 eine kontinuierliche Produktionslinie zur
Herstellung teilgehärteter Produkte, insbesondere gehärteter
dünner Metallblech-Profilprodukte aus einem aufgewickelten
Metallstreifen bekannt. Diese Produktionslinie umfasst eine Abrollhaspel
zum Abrollen des Streifens, eine Walzen-Einheit, um dem Streifen
ein Profil zu verleihen, sowie eine Heizeinheit.
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Die
Heizeinheit umfasst eine diskontinuierlich betriebene elektrische
Heizspule, deren Form dem Querschnittsbereich des durch die Walze
erzeugten Profils so angepasst ist, dass nur bestimmte Bereiche
entlang der Länge des Profils erhitzbar sind. Schließlich
ist eine Abschreckeinheit zum Abkühlen des Profils und
zum Härten erhitzter Bereiche und eine Schlagmessereinheit
zum Schneiden des Profils an mindestens einigen seiner nicht gehärteten Bereich
vorgesehen, um einzelne Produkte mit gewünschter Länge
zu erhalten.
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Dies
führt letztlich dazu, dass das herzustellende Produkt nur
teilweise, das heißt in voneinander beabstandeten Bereichen
oder Stellen gehärtet wird, während andere dazwischenliegende
Bereiche im nicht gehärteten Zustand verbleiben. Auf diese
Art und Weise kann ein Produkt erzeugt werden, welches Bereiche
unterschiedlicher Struktursteifigkeit aufweist.
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Die
beschriebene Heizeinheit, bzw. deren elektrische Heizspule ist stationär
ausgebildet, sodass zum Aufheizen des Werkstücks auf eine
vorgegebene Temperatur die Parameter Heizleistung, Vorschubgeschwindigkeit
des Werkstücks und Größe der Heizspule
bzw. des von ihr erzeugten Induktionsfeldes in einer starren Wechselbeziehung
zueinander stehen.
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Die
mittels einer im Durchlaufbetrieb arbeitenden Härteeinrichtung
erzeugbaren teilgehärteten Produkte weisen typischerweise
verhältnismäßig große Übergangsbereiche
zwischen Flächenabschnitten mit unterschiedlichen Härtegraden
auf. In solchen Übergangsbereichen ist die tatsächliche Werkstückhärte
nur recht ungenau vorhersagbar. Ferner kann sie prozessabhängig
verhältnismäßig großen Schwankungen
unterliegen. Diese Unzulänglichkeiten wirken sich vor allem
nachteilig bei einem Vergleich zwischen simuliertem und tatsächlichem Crashverhalten
eines Fahrzeugs aus. Denn in jenem Übergangsbereich ist
der tatsächliche Härtegrad in einem Simulationsmodell
nur recht unpräzise abzubilden.
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Aufgabe
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
sowie ein verbessertes Verfahren zum Härten von metallischen
Werkstücken zur Verfügung zu stellen, die eine
universellere Handhabe bezüglich des partiellen Aufheizen
des Werkstücks ermöglichen. Auch ist es Ziel der
Erfindung, Herstellungskosten und Taktzeiten zu senken. Des Weiteren
sollen möglichst deutlich und scharf voneinander abgegrenzte
gehärtete und nicht gehärtete Bereiche, mithin
dazwischenliegende Übergangsbereiche möglichst
geringer Ausdehnung im Werkstück erzeugt werden können.
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Erfindung und erfindungsgemäße
Wirkungen
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung
zum Härten eines metallischen Werkstücks gemäß Patentanspruch
1, einem entsprechenden Verfahren gemäß Patentanspruch
9 sowie mittels einem entsprechend herstellbaren metallischen Werkstück
nach Patentanspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Härten
eines metallischen Werkstücks, insbesondere eines Platinenzuschnitts
aus Stahl oder vergleichbaren metallischen Werkstoffen auf Ferrit-Basis
vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine Fördereinrichtung zum
Transport des Werkstücks entlang einer vorgegebenen Förderrichtung
auf. Das Werkstück wird dabei vorzugsweise kontinuierlich
in Förderrichtung bewegt. Ferner ist eine Heizeinrichtung
vorgesehen, welche zur Erzeugung einer räumlich ausgedehnten Heizzone
ausgebildet ist. Diese Heizzone weist in Förderrichtung
gesehen eine kürzere Erstreckung als das Werkstück
auf. Die Heizzone ist hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen
derart ausgebildet, dass das mittels der Fördereinrichtung
in Vorschubrichtung transportierte Werkstück lediglich
partiell erhitzt, bzw. aufgeheizt wird. Dabei ist zumindest ein Aufheizen
der Werkstückoberfläche zum Zwecke des Oberflächenhärtens
vorgesehen. Das Werkstück kann aber auch über
seinen gesamten Querschnitt aufgeheizt werden.
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Die
Heizeinrichtung, mithin die Härtevorrichtung zeichnet sich
dadurch aus, dass zum gezielten partiellen Aufheizen oder Erwärmen
des Werkstücks die Heizzone in Förderrichtung
verschiebbar ist. Auf diese Art und Weise kann die von der Heizeinrichtung zur
Verfügung gestellte Heizzone mit dem kontinuierlich in
Förderrichtung bewegten Werkstück ”mitwandern”,
sodass ausschließlich der in der Heizzone liegende Abschnitt,
nicht aber diejenigen außerhalb einer Heizzone liegenden
Abschnitte des Werkstücks auf eine vorgegebene Temperatur,
etwa auf die sogenannte Austenit-Temperatur von Stahl, aufgeheizt werden
können.
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Der
Heizeinrichtung nachgeschaltet ist eine Kühleinrichtung
zum Abschrecken des auf die vorgegebene Temperatur erhitzten Werkstücks
vorgesehen. Optional kann zwischen Heizeinrichtung und Kühleinrichtung
eine Warmumformeinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher das
zumindest partiell erhitzte Werkstück zumindest in jenen
erhitzten Bereichen zur Erlangung seiner vorgegebenen Bauteilgeometrie
umgeformt werden kann.
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Dadurch,
dass die Heizeinrichtung eine in Förderrichtung verschiebbare
Heizzone zur Verfügung stellt, kann die auf das Werkstück
einwirkende Heizleistung verringert werden, denn trotz kontinuierlicher
Vorschubbewegung verbleibt der zu erhitzende Abschnitt des Werkstücks über
einen längeren Zeitraum in der Heizzone.
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Durch
die Bewegung der Heizzone der Heizeinrichtung in Förderrichtung
kann zudem ein schärferer Übergang zwischen erhitzten
und nicht erhitzten Bereichen des Werkstücks erzielt werden,
als dies bei einer stationären Heizzone und einem kontinuierlich
bewegten Werkstück der Fall wäre. Auf diese Art
und Weise kann ein räumlich scharf abgegrenztes und gezieltes
Härten eines metallischen Werkstücks, insbesondere
eines Platinenzuschnitts erreicht werden.
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Nach
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Verschiebung der Heizzone in Förderrichtung an
den Transport des Werkstücks angepasst ist. So kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass das Werkstück als auch die Heizzone
getaktet, also stufenweise in Förderrichtung verschoben
wird. Vorzugsweise ist jedoch eine kontinuierliche Bewegung von
Heizzone und Werkstück vorgesehen.
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Dabei
ist insbesondere von Vorteil, wenn die Transportgeschwindigkeit
des Werkstücks mit der Verschiebegeschwindigkeit der Heizzone
exakt übereinstimmt, sodass ausschließlich ein
vorbestimmter Abschnitt des Werkstücks einer gezielten
Erwärmung zugeführt werden kann, während
andere Abschnitte, welche außerhalb dieses Abschnitts liegen,
hingegen nicht oder nur kaum erhitzt werden.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Größe, insbesondere die Erstreckung der Heizzone
in Förderrichtung variierbar ist. Die Größe
der Heizzone ist insbesondere an die Abmessungen des zu härtenden
Abschnitts des Werkstücks anzupassen, sodass die erfindungsgemäße
Heizeinrichtung für eine Vielzahl unterschiedlich konfigurierter
Werkstücke universell einsetzbar ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass entlang der Fördereinrichtung sensorische Erfassungsmittel
angeordnet sind, mittels derer die Position und/oder die Außenkontur
des Werkstücks ermittelbar ist. Die Erfassungsmittel können
beispielsweise als taktile oder als berührungslose, etwa
optische Sensoren ausgebildet sein.
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Je
nach Messgenauigkeit der einzelnen Sensoren und der Anordnung zueinander
kann die Position, Ausrichtung und ggf. die Geometrie des Werkstücks
zu jeder Zeit präzise ermittelt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass
die Verschiebung der Heizzone oder mehrerer Heizzonen in Abhängigkeit
der ermittelten Position, Ausrichtung und/oder der Außenkontur
und ggf. unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Fördergeschwindigkeit
der Fördereinrichtung erfolgt. Auch ist vorgesehen, in
Abhängigkeit ermittelter Positions- und/oder Geometriedaten
des Werkstücks die Heizeinrichtung, bzw. die Heizzone oder
mehrere Heizzonen zu aktivieren oder zu deaktivieren.
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Ist
beispielsweise vorgesehen, ein längliches Werkstück
lediglich in seinem in Förderrichtung liegenden mittleren
Bereich zu härten, so wird die Heizzone erst dann aktiviert,
wenn das Werkstück mit seinem in Förderrichtung
vorn liegenden Abschnitt bereits durch eine noch nicht aktivierte
Heizzone hindurch gefahren ist.
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Unter
Kenntnis einer fest vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass der in Vorschubrichtung vorn liegende vorauseilende
Abschnitt des Werkstücks bereits beim Einfahren in die
Heizeinrichtung taktil oder visuell erfasst wird, und dass mit einer
entsprechenden Zeitverzögerung die Heizeinrichtung erst
dann aktiviert wird, wenn der aufzuheizende mittlere Abschnitt des
Werkstücks deckungsgleich mit der von der Heizeinrichtung
vorgegebenen Heizzone zu liegen kommt. Unmittelbar mit oder nach
Aktivierung der Aufheizung kann alsdann die Heizzone mit dem Werkstück
in Förderrichtung mitbewegt werden.
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Die
Erfindung sieht insbesondere vor, dass die Heizeinrichtung als solche
stationär ausgebildet ist, dass also jene zur Erzeugung
der Heizzone vorgesehenen Komponenten der Heizeinrichtung gerade
nicht mit der Fördereinrichtung mitbewegt werden müssen.
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In
diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass die Heizeinrichtung
als Induktionsheizung ausgebildet ist und in Förderrichtung
voneinander beabstandete Induktionsspulen aufweist. Die Induktionsspulen
sind entlang der Fördereinrichtung angeordnet und sind
zur Erzeugung zumindest einer sich schräg oder im Wesentlichen
senkrecht zur Förderrichtung erstreckenden Heizzone ausgebildet.
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Alternativ
zur stationären Anordnung der Heizeinrichtung kann vorgesehen
sein, dass die Heizeinrichtung oder dass einzelne Komponenten der Heizeinrichtung,
etwa einzelne Induktionsspulen, zur Erzeugung einer beweglichen
Heizzone zumindest in Förderrichtung beweglich angeordnet
sind. Dabei kann insbesondere eine Linearbewegung einzelner oder
sämtlicher Induktionseulen, welche das aufzuheizende Werkstück
ringförmig und in Förderrichtung zumindest bereichsweise
umschließen, entlang und/oder entgegen der Förderrichtung
vorgesehen sein.
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Die
Induktionsspulen werden vorzugsweise mit einem HF-Wechselfeld betrieben,
sodass im aufzuheizenden Abschnitt des Werkstücks ein Wärme erzeugender elektrischer
Strom induziert wird. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass
die Induktionsspulen als Ringspulen ausgebildet sind und das Werkstück
in der Ebene senkrecht zur Transportrichtung vollständig
umschließen. So kann das von den Spulen erzeugbare und
zur Aufheizung vorgesehene Magnetfeld zumindest in einem Teilbereich
des Werkstücks im Wesentlichen parallel zur Förderrichtung
und/oder im Wesentlichen parallel zur Förderrichtung verlaufen.
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Des
Weiteren ist vorgesehen, dass in Förderrichtung voneinander
beabstandete Induktionsspulen vorgesehen sind, sodass durch entsprechende
Ansteuerung benachbarter Induktionsspulen ein im Wesentlichen kontinuierlich
in Förderrichtung wanderndes Induktions-Magnetfeld erzeugt
werden kann. Auf diese Art und Weise kann auch ohne die Verwirklichung
von mechanisch verschiebbaren Heizelementen eine in Förderrichtung
wandernde Heizzone zur Verfügung gestellt werden.
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Auch
ist durch das Hinzu- oder Abschalten einzelner in Förderrichtung
benachbart zueinander angeordneter Induktionsspulen die Größe,
insbesondere die Ausdehnung der Heizzone in Förderrichtung variabel
anpassbar. Zudem ist denkbar, nicht nur eine einzige, sondern auch
mehrere, in Förderrichtung voneinander beabstandete Heizzonen
zu erzeugen und diese zusammen mit dem Werkstück zu verschieben.
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Nach
einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum partiellen Härten eines metallischen
Werkstücks, welches mittels einer Fördereinrichtung
entlang einer Förderrichtung transportiert wird. Dabei
wird zumindest eine mittels einer Heizeinrichtung erzeugbare Heizzone
in Förderrichtung verschoben, wobei die Heizzone in Förderrichtung
betrachtet eine kürzere Erstreckung als das Werkstück
aufweist.
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Auf
diese Art und Weise kann ein metallisches Werkstück, insbesondere
Bor-legierter Stahl, wie etwa 22MnB5 bzw. eine daraus hergestellte
Platine gezielt und partiell auf eine Temperatur aufgeheizt werden,
bei welcher sich das bei Raumtemperatur vorliegende Alpha-Eisen
(Ferrit) in Gamma-Eisen (Austenit) umwandelt. Unmittelbar nach dem
Erhitzen ist ein Abschrecken bzw. rasches Abkühlen des
erwärmten Abschnitts vorgesehen. Geeignete Abkühlmedien
hierfür sind Wasser, Öl oder Inertgase, wie zum
Beispiel Stickstoff oder Luft.
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Die
Verschiebung der Heizzone bzw. die Verschiebegeschwindigkeit ist
an den Transport bzw. die Fördergeschwindigkeit des Werkstücks
angepasst.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform können das Werkstück
und/oder die Heizzone kontinuierlich in Förderrichtung
verschoben werden. Alternativ ist auch ein stufenartiges bzw. getaktetes,
vorzugsweise aber gleichzeitiges Verschieben von Werkstück
und Heizzone vorgesehen. Die Geschwindigkeit, mit welcher das Werkstück
und die Heizzone verschoben werden, ist im Wesentlichen identisch, sodass
die von der Heizeinrichtung erzeugbare Heizzone und der zum Zwecke
der Materialhärtung aufzuheizende Bereich des Werkstücks
keiner wesentlichen Relativverschiebung zueinander unterliegen.
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Ferner
ist vorgesehen, dass zur Steuerung, etwa zur Aktivierung und Deaktivierung
der Heizeinrichtung und/oder zur Verschiebung der Heizzone die Position
und/oder die Ausrichtung als auch ggf. die Fördergeschwindigkeit
des Werkstücks sensorisch erfasst werden. Ferner ist vorgesehen,
dass das Werkstück nach dem zumindest partiellen Aufheizen auf
die vorgesehene Temperatur, bei welcher die zur Härtung
vorgesehenen Werkstückbereiche in die sogenannte austenitische
Phase übergehen, gezielt abgeschreckt bzw. zügig
abgekühlt werden, damit ein vorgegebener Härtegrad,
bzw. die gezielte und kontrollierte Bildung von Martensit erreicht
werden kann.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Werkstück nach dem zumindest bereichsweisen
Aufheizen, vorzugsweise während dem nachfolgenden Abschrecken
einem Umformprozess unterzogen wird. Dabei kann beispielsweise eine
aktive Kühlung des Umformwerkzeugs vorgesehen sein.
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Die
Erfindung, die beschriebene Vorrichtung und das Verfahren zum Härten
eines metallischen Werkstoffs ist universell auf platinenartige
Zuschnitte als auch auf aufgewickelte Bandmaterialien, wie Bandstahl
anwendbar. Des Weiteren können auch sogenannte, Tailor
Rolled Blanks oder Tailor Rolled Coils als Ausgangsmaterial Verwendung
finden, welche durch eine geregelte Modifikation des Walzspalts während
eines Kaltwalzprozesses in Walzrichtung unterschiedliche Blechdicken
aufweisen können. Insoweit können die zu härtenden
Werkstücke eine ebene, im Wesentlichen flache Außenkontur,
aber auch eine Wellenform oder ein diskontinuierliches Querschnittsprofil
aufweisen. Auch ist das beschriebene Verfahren universell auf bereits
beliebig verformte oder umgeformte Bauteile anwendbar.
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Nach
einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung
ein metallisches Werkstück, insbesondere ein Karosseriebauteil
für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei in einer Förderrichtung
aneinander angrenzenden Flächenabschnitten mit unterschiedlichem
Härtegrad, welches insbesondere nach dem zuvor beschriebenen
Verfahren und/oder mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung herstellbar, bzw. partiell hartbar ist.
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Das
Werkstück zeichnet sich dabei durch eine besonders geringe
Erstreckung eines Übergangsbereichs zwischen Flächenabschnitten
unterschiedlicher Härtegrade aus. Die Größe,
bzw. die Erstreckung des Übergangsbereich von Flächenabschnitten
mit unterschiedlichen Härtegraden beträgt weniger
als 20 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, höchst vorzugsweise
weniger als 5 mm. Der Übergangsbereich ist dabei als jener
Bereich zwischen zwei Flächenabschnitten mit einer im Wesentlichen
konstanten Werkstückhärte zu betrachten. Er zeichnet
sich insoweit durch eine, in Förderrichtung gesehen, räumlich
modulierte Werkstückhärte aus.
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Durch
die erfindungsgemäße Verkleinerung eines Übergangsbereichs
zwischen Flächenabschnitten eines Karosseriebauteil unterschiedlicher Härtegrade
können Abweichungen zwischen simulierten und experimentell
durchgeführten Fahrzeugcrashs minimiert werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkstück
als strukturversteifendes oder -verstärkendes Karosseriebauteil
ausgebildet ist. Es ist insbesondere vorgesehen, das Werkstück
als A- oder B-Säule, als entsprechende Säulenverstärkung,
als Dach-, Fensterrahmen-, Türaufprallträger-,
Schwellen- oder Seitenträgerverstärkung auszubilden.
Auch ist denkbar, das partiell gehärtete metallische Werkstück
als Unterboden, Grundplatte, Tunnel, Instrumententafelträger
oder Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug
auszugestalten.
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Ausführungsbeispiel
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Im
Folgenden wird eine vorteilhafte Ausgestaltung nebst Anwendungsmöglichkeiten
und vorteilhaften Wirkungen der Erfindung anhand der Beschreibung
einer Figur näher erläutert. Dabei bilden sämtliche
beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale sowohl in
Alleinstellung als auch in jeglicher sinnvollen Kombination untereinander
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung; auch unabhängig
von den Patentansprüchen und deren Rückbezügen
zueinander.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Heizeinrichtung.
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Die
Heizeinrichtung 10, welche als sogenannter Härteofen
ausgebildet und als Durchlaufofen betrieben werden kann, weist eine
Fördereinrichtung 11 auf, auf welcher das partiell
zu härtende Werkstück 20 in Förderrichtung 28,
bezogen auf die Geometrie der Figur von links nach rechts, kontinuierlich oder
schrittweise transportiert werden kann.
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Um
die Fördereinrichtung herum sind in Förderrichtung
voneinander beabstandete Induktionsspulen 12, 14, 16 angeordnet,
die unter Beaufschlagung mit einem entsprechenden HF-Signal ein
zur partiellen Erwärmung des Werkstücks 20 vorgesehenes
Induktionsfeld 30 erzeugen. Das Induktionsfeld 30 stellt
zugleich eine Heizzone dar, deren geometrische Abmessungen in Förderrichtung 28 betrachtet, kleiner
sind als die Erstreckung des Werkstücks 20 in Förderrichtung 28.
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Durch
Zu- und Abschalten von Induktionsspulen 12, 14, 16 kann
eine mit dem Werkstück 20 mitwandernde Heizzone 30 erzeugt
werden, sodass das Werkstück 20 während
eines kontinuierlichen Förderprozesses durch den Härteofen 10 hindurch lediglich
in einem vorgegebenen, räumlich begrenzten Teilbereich
einer Energiezufuhr ausgesetzt werden kann, der zu Folge das Werkstück 20 lediglich
in einem vorgegebenen Teilbereich 24 lokal aufgeheizt wird.
Durch das Mitführen der Heizzone 30 mit dem Werkstück 20 kann
jener Teilbereich 24 des Werkstücks 20 über
die gesamte, von der Fördereinrichtung 11 zur
Verfügung gestellte Förderstrecke kontinuierlich
aufgeheizt werden.
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In
den Übergangsbereichen links und rechts des aufgeheizten
Werkstückabschnittes 24 entstehen somit besonders
hohe Temperaturgradienten. Auf diese Art und Weise können
mit außerordentlicher Präzision räumliche
Temperaturunterschiede im Material erzeugt werden. Mittels dem nachgeschalteten
Abschrecken und einem ggf. dazwischengeschalteten Umformprozess
können verhältnismäßig scharf
und deutlich voneinander abgegrenzte Bereiche im Werkstück 20 erzeugt
werden, welche unterschiedliche Härtegrade und somit eine unterschiedliche
Struktursteifigkeit aufweisen. Die Dimensionierung von Übergangsbereiche
zwischen gehärteten und ungehärteten Abschnitten
kann somit auf ein Minimum reduziert werden.
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Entlang
der von der Fördereinrichtung 11 vorgegebenen
Verfahrstrecke sind ferner Positionssensoren 18 vorgesehen,
welche dazu ausgebildet sind, die Position, die Ausrichtung und
ggf. auch die Außenkontur und die Geometrie des Werkstücks
zu erfassen. Diese Sensoren können beispielsweise in Form
von Lichtschranken oder aber auch als taktile, das heißt
auf Berührung reagierende, Sensorelemente ausgebildet sein.
Ferner ist denkbar, dass anstelle einer Vielzahl einzelner Sensoren 18 ein
einziger oder einige wenige bildgebende Sensoren zusammen mit einer
entsprechenden Bildauswertung vorgesehen sind.
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Die
von den Sensoren 18 erzeugbaren Signale werden einer Signalauswertung
und Prozesssteuerung zugeführt, welche in Abhängigkeit
der Sensorsignale eine Aktivierung der Heizung und ein entsprechendes
Mitführen der Heizzone 30 steuert. Auch kann vorgesehen
sein, die Größe der Heizzone, etwa durch Zu- oder
Abschalten einzelner Induktionsspulen 12, 14, 16 zu
verändern. Auf diese Art und Weise kann die Größe
des aufzuheizenden Werkstückabschnittes 24 universell
verändert werden. Auch ist denkbar, nicht nur eine einzige
Heizzone 30, sondern mehrere in Förderrichtung 28 voneinander
beabstandete Heizzonen zeitgleich oder, der Verfahrgeschwindigkeit
des Werkstücks 20 entsprechend, zeitversetzt zu
aktivieren und mit dem Werkstück 20 parallel mitzuführen,
sodass mehrere Bereiche des Werkstücks 20 anhand
des beschriebenen Prozesses gleichzeitig erwärmt und durch die
nachgeschaltete rasche Abkühlung gehärtet werden
können.
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Im
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit nur
einer einzigen Heizzone 30 ist vorgesehen, lediglich den
mittleren Werkstückabschnitt 24 einer partiellen
Härtung zu unterziehen, während der in Förderrichtung
vorn liegende Abschnitt 22 und der in Förderrichtung
hinten liegende Abschnitt 26 keiner weiteren Wärmebehandlung
ausgesetzt werden sollen.
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Wird
beispielsweise ein Bor-legierter Stahl, etwa der Werkstoff 22MnB5
verwendet, beträgt die Temperatur, welche im Werkstückabschnitt 24 erreicht
werden muss, etwa 900°C bis 950°C. Die mittels
der Erfindung im Werkstück erzeugbaren Bereiche unterschiedlicher
Härte führen zu einem Bauteil, welches auch unabhängig
von seiner geometrischen Formgebung Abschnitte mit unterschiedlichem
Umform- und Biegeverhalten aufweist.
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Dies
ist insbesondere im Kraftfahrzeugbereich von besonderer Bedeutung,
damit die Fahrzeugkarosserie und ihre Einzelkomponenten etwa bei
einem Seiten- oder Frontalaufprall ein gefordertes Umformverhalten
aufweisen. Insoweit eignen sich solch partiell gehärtete
Werkstücke als kostengünstiger und einfacher handzuhabender
Ersatz für Tailored Welded Blanks oder Tailored Welded
Coils.
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- 10
- Härteofen
- 11
- Fördereinrichtung
- 12
- Induktionsspule
- 14
- Induktionsspule
- 16
- Induktionsspule
- 18
- Positionssensor
- 20
- Werkstück
- 22
- Werkstückabschnitt
- 24
- Werkstückabschnitt
- 26
- Werkstückabschnitt
- 28
- Förderrichtung
- 30
- Heizzone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3618093
A1 [0005]
- - DE 69227763 T2 [0006]