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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine zum Herstellen von abgasreinigenden Vorrichtungen, insbesondere Dieselpartikelfiltern oder Katalysatoren.
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In solchen Vorrichtung sind gegen radialen Druck sehr empfindliche Einleger, überwiegend axial durchströmte Keramiksubstrate, durch eine radiale Klemmung im Außengehäuse gehalten. Zwischen keramischem Einleger und Außengehäuse ist eine Dämmmatte angeordnet, die ein elastisches Element bildet. Es gibt verschiedene Verfahren zum sogenannten Canning, das heißt zum Einbringen des Einlegers in das Gehäuse, wovon einige im Folgenden erläutert werden. Alle diese Verfahren sind in der
DE 10 2005 010 567 A1 erwähnt.
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Ein erstes Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung ist das sogenannte Kalibrieren oder Shrinken. Hierbei wird der Einleger mit der Dämmmatte in ein übergroßes, umfangsmäßig geschlossenes Rohr gesteckt, und die entstandene Einheit wird anschließend in ein Werkzeug gelegt, das mit zahlreichen radial einwärts beweglichen Druckbacken versehen ist. Wenn die Druckbacken radial einwärts verfahren werden, deformieren sie den Mantel plastisch so weit, dass der Einleger im Mantel geklemmt ist.
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Ein weiteres Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung ist das sogenannte Stopfen oder Stuffing, das zusätzlich in der
DE 10 2007 021 493 A1 beschrieben wird. Hierbei wird das Außengehäuse zuerst auf den gewünschten Außenradius gebracht, anschließend wird der mit der Dämmmatte umwickelte Einleger über ein trichterförmiges Werkzeug in das Außengehäuse eingeführt.
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Weitere Verfahren sind das sogenannte Wickeln, wobei ein Blech um den Einleger gewickelt und in der gewünschten Endstellung im Überlappungsbereich der Blechränder verschweißt wird, und das sogenannte Klemmen, bei dem das Gehäuse in zwei Halbschalen unterteilt ist, zwischen die der Einleger geklemmt wird.
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Aus der vorgenannten
DE 10 2005 010 267 A1 ist im Detail ein Verfahren zum Herstellen einer abgasführenden Vorrichtung bekannt, bei dem auf jeden Einleger ein vorbestimmter Druck ausgeübt wird und seine maximal zulässige Verformung bei Aufbringen eines maximal zulässigen Drucks bestimmt wird. Anschließend wird ein Außengehäuse mit solchen Innenabmessungen auf den Einleger aufgebracht, dass dieser wie zuvor bestimmt, maximal verformt wird.
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Die
DE 198 17 787 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines metallischen Wabenkörpers. Hierbei wird eine strukturierte Blechlage zu einer Matrix gewickelt, geschichtet oder geschlungen. Die Matrix wird in Schwingung versetzt und während der Fremderregung in ein Mantelrohr eingeführt.
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Ein Verfahren sowie ein Werkzeug zum Herstellen einer abgasführenden Vorrichtung werden in der zuvor bereits erwähnten
DE 10 2007 021 493 A1 offenbart. Während des Einschiebens eines Einlegers in sein Gehäuse wird eine auf den Einlieger ausgeübte Kraft gemessen, um daraus die Haltekraft im montierten Zustand zu ermitteln.
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Die
DE 10 2005 025 026 B3 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils mit aneinandergrenzenden Abschnitten, bei welchem ein auf eine Umformtemperatur erwärmtes Blechelement in einem Umformwerkzeug in ein Bauteil umgeformt wird. Dabei werden Temperatur und Umformgeschwindigkeit gezielt gesteuert.
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Eine wichtige Kenngröße der Dämmmatten ist die GBD (englisch: Gap Bulk Density). Sie charakterisiert die Verpressung einer bestimmten Masse des Materials im Spalt zwischen Einleger und Gehäuse. Aufgrund der Rückfederung des Gehäusematerials kann es nach dem Canning-Verfahren zu einer niedrigeren GBD kommen, weshalb müssen die Dämmmatten während des Canning-Verfahrens stärker verpresst werden. Eine thermische Ausdehnung des Gehäuses und damit eine niedrigere GBD bei Betrieb der abgasreinigenden Vorrichtung muss bei der Herstellung durch eine entsprechend stärkere Verpressung des Gehäuses und der Dämmmatte im kalten Zustand kompensiert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine zur Herstellung einer abgasreinigenden Vorrichtung zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung von abgasreinigenden Vorrichtungen anzugeben, durch die die Einleger sehr sicher im Gehäuse gehalten werden.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine zur Herstellung von abgasreinigenden Vorrichtungen, insbesondere Dieselpartikelfiltern sowie Katalysatoren, die ein Gehäuse und einen im Gehäuse geklemmten, gasdurchströmten Einleger aufweisen, gelöst, bei der die Werkzeugmaschine mindestens ein Werkzeug aufweist, in dem der Einleger in dem Gehäuse geklemmt wird, wobei in das Werkzeug eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Gehäuses integriert ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Gehäuse direkt in der Werkzeugmaschine während des Canning-Verfahrens aufzuheizen, wodurch die Materialeigenschaften der Bauelemente für das Herstellungsverfahren positiv verändert werden. Beispielsweise wird die Rückfederung des Gehäusematerials reduziert, und das Gehäuse ist während des Herstellungsverfahrens thermisch ausgedehnt, wodurch Einleger und/oder Dämmmatte weniger stark verpresst werden müssen. Auch ist die erforderliche plastische Verformung des Gehäuses geringer als im Stand der Technik.
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Vorzugsweise weist die Heizvorrichtung mindestens ein elektrisches Heizelement auf. Dies ermöglicht eine einfache Ausführung der Heizvorrichtung.
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Die Heizvorrichtung kann mindestens ein Induktionselement aufweisen. Somit wird die direkte Aufheizung des Gehäusematerials durch induzierte Wirbelströme ermöglicht.
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Alternativ ist es möglich, dass im Werkzeug Heizkanäle vorgesehen sind, durch die ein Heizfluid fließt. Ein Heizfluid ermöglicht eine Heizung mehrerer Werkzeuge über eine zentrale Heizvorrichtung.
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Wird das Werkzeug selbst aufgeheizt, so kann das Gehäuse durch Kontakt mit dem Werkzeug gezielt aufgeheizt werden.
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Vorzugsweise weist das Werkzeug eine thermische Isolierung der Heizvorrichtung auf. Auf diese Weise ist ein Aufheizen des Gehäuses und des an das Gehäuse angrenzenden Teils des Werkzeugs möglich, während andere Bereiche der Werkzeugmaschine aufgrund der thermischen Isolierung nicht aufgeheizt werden.
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Es ist möglich, dass im Werkzeug Kühlkanäle vorgesehen sind, durch die ein Kühlfluid fließt. Somit können auch mehrere Werkzeuge über eine zentrale Kühlvorrichtung gekühlt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug ein Kalibrierwerkzeug zum Verringern der Außenabmessungen des Gehäuses.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug ein Stopfwerkzeug, in dem der Einleger in das aufgeheizte Gehäuse gestopft wird. Auch hier wird die Belastung des Einlegers während der Herstellung reduziert.
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Alternativ hierzu ist das Werkzeug ein Wickelwerkzeug, in welchem der Einleger mit einem aufgeheizten Blech umwickelt wird.
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Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung so ausgeführt, dass eine werkzeugseitige Gehäuseaufnahme auf Temperaturen von mindestens 150 °C aufgeheizt wird. Die erhöhte Temperatur erleichtert ein Umformen des Gehäuses.
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Die Heizvorrichtung kann so ausgeführt sein, dass eine Gehäuseaufnahme auf Temperaturen von maximal 630 °C, vorzugsweise maximal 500 °C aufgeheizt wird. Bei diesen Temperaturen besitzt das Gehäuse ausreichend mechanische Stabilität, ohne zusätzliche Stützmechanismen zu benötigen.
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Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung so ausgeführt, dass eine Gehäuseaufnahme auf Temperaturen zwischen 300 °C und 500 °C, insbesondere zwischen 400 °C und 500 °C aufgeheizt wird. Dieser Temperaturbereich ermöglicht ein erleichtertes Umformen des Gehäuses bei gleichzeitig ausreichender mechanischer Stabilität.
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Es ist möglich, dass Temperatursensoren im Werkzeug vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine Steuerung oder Regelung der Temperatur des Gehäuses, der Gehäuseaufnahme und sorgt für einen Überhitzungsschutz der Werkzeugmaschine.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von abgasreinigenden Vorrichtungen, insbesondere Dieselpartikelfiltern sowie Katalysatoren, die ein Gehäuse und einen im Gehäuse geklemmten, gasdurchströmten Einleger aufweisen, wobei das Gehäuse in einer Werkzeugmaschine umgeformt wird, der Einleger in das Gehäuse eingeführt und das Gehäuse in der Werkzeugmaschine aufgeheizt wird. Durch das Aufheizen des Gehäuses verändern sich die Materialeigenschaften des Gehäuses, beispielsweise verringert sich die Rückfederung des Materials. Ein weiterer Vorteil des Aufheizens während des Herstellungsverfahrens ist die thermische Ausdehnung des Gehäuses, wodurch beispielsweise Einleger und/oder Dämmmatte weniger stark verpresst werden müssen.
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Vorzugsweise wird das Gehäuse auf mindestens 150 °C aufgeheizt. Auf diese Weise wird eine ausreichende Veränderung der Materialeigenschaften zur Verbesserung des Herstellungsverfahrens ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, dass das Gehäuse auf höchstens 630 °C, vorzugsweise höchstens 500 °C aufgeheizt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird das Gehäuse auf Temperaturen zwischen 300 °C und 500 °C, vorzugsweise zwischen 400 °C und 500 °C aufgeheizt. Dies ermöglicht eine verbesserte Umformbarkeit bei ausreichender Festigkeit des Gehäuses.
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Gemäß einer weiteren Variante ist zwischen Einleger und Gehäuse eine mit einem Binder versetzte Dämmmatte geklemmt. Die Temperatur des aufgeheizten Gehäuses verflüssigt den Binder in der Dämmmatte. Durch die Verflüssigung des Binders wird die Reibung zwischen Gehäuse und Einleger verringert, wodurch weniger Scherkräfte in die Dämmmatte eingeleitet werden.
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Das Aufheizen des Gehäuses kann mittels Induktion erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist z.B. ein Stopf-Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten. Der Einleger wird mit einer Dämmmatte umwickelt, das Gehäuse wird aufgeheizt, und der umwickelte Einleger wird in das aufgeheizte Gehäuse eingeführt. Aufgrund der Dehnung des Gehäuses wird das Stopf-Verfahren vereinfacht, da der umwickelte Einleger nur auf den Durchmesser des ausgedehnten Gehäuses reduziert werden muss.
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Alternativ hierzu könnte der Einleger auch durch ein erwärmtes Blech umwickelt werden.
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Der Einleger kann zu Beginn des Verfahrens ausgemessen und der Gehäusedurchmesser auf den jeweiligen Einleger angepasst reduziert werden.
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Vorzugsweise wird das Gehäuse nach dem Einführen des umwickelten Einlegers kontrolliert abgekühlt.
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Gemäß einer alternativen Verfahrensvariante ist das Verfahren ein Kalibrier-Verfahren, mit den folgenden Verfahrensschritten. Der Einleger wird mit einer Dämmmatte umwickelt, das Gehäuse wird aufgeheizt, der umwickelte Einleger wird in das aufgeheizte Gehäuse eingeführt, und die Außenabmessungen des Gehäuses werden reduziert. Durch die thermische Ausdehnung des heißen Gehäuses sind die benötigten Außenabmessungen des kalibrierten Gehäuses größer als bei einem kalten Gehäuse, wodurch das Kalibierverfahren vereinfacht und die Druckbelastung auf den Einleger verringert wird. Die reduzierte Rückfederung des Materials des heißen Gehäuses sorgt für eine weitere Vereinfachung des Verfahrens.
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Der Einleger kann zu Beginn des Verfahrens vermessen werden, wodurch die Außenabmessungen des Gehäuses auf den jeweiligen Einleger gezielt reduziert werden.
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Vorzugsweise werden das Aufheizen des Gehäuses und das Reduzieren der Außenabmessungen des Gehäuses mithilfe eines heißen Werkzeugs durchgeführt. Somit können das Aufheizen des Gehäuses und das Reduzieren der Außenabmessungen des Gehäuses im Wesentlichen im selben Verfahrensschritt durchgeführt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Ansicht einer abgasreinigenden Vorrichtung;
- - 2 eine Werkzeugmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- - 3 eine Schnittansicht durch ein Werkzeug der Werkzeugmaschine gemäß 2;
- - 4 eine Schnittansicht durch das Werkzeug längs der Linie IV-IV in 3;
- - 5 eine Schnittansicht durch das Werkzeug längs der Linie V-V in 3; und
- - 6 einen Teil einer Werkzeugmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine abgasreinigende Vorrichtung 30, beispielsweise einen Dieselpartikelfilter oder einen Katalysator, die ein zylindrisches Gehäuse 32 und einen in das Gehäuse 32 geklemmten, gasdurchströmten Einleger 34, beispielsweise einen keramischen Monolith, aufweist. Zwischen dem Einleger 34 und dem Gehäuse 32 ist eine Dämmmatte 36 vorgesehen, die ein elastisches Element bildet. Vor und hinter dem Einleger 34 sind Trichter 38 als Ein- oder Auslass am Gehäuse 32 befestigt oder einstückig mit diesem ausgeführt.
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2 zeigt eine Werkzeugmaschine 11 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Werkzeugen 10 in Form von Backen, die durch die Werkzeugmaschine 11 bewegt werden können. Die Werkzeuge 10 bilden eine Gehäuseaufnahme für das Gehäuse 32 der abgasreinigenden Vorrichtung 30. Die gezeigte Werkzeugmaschine 11 ist eine Kalibriermaschine mit Werkzeugen 10, die als Druckbacken ausgebildet sind, welche in radialer Richtung auf die in die Werkzeugmaschine 11 eingeführte abgasreinigende Vorrichtung 30 drücken und somit die Außenabmessungen des Gehäuses 32 verringern.
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Ein Werkzeug 10 der in 2 gezeigten Werkzeugmaschine 11 ist in 3 bis 5 dargestellt. Das Werkzeug 10 weist eine dem Gehäuse 32 (dem Werkstück) zugewandte Seite 12 und eine der Werkzeugmaschine 11 zugewandte Seite 14 auf. Auf der dem Gehäuse 32 zugewandten Seite 12 ist eine Heizvorrichtung 16 in das Werkzeug 10 integriert. Die Heizvorrichtung 16 besteht aus zwei parallel zueinander ausgerichteten elektrischen Heizelementen 18. Alternativ ist es möglich, dass im Werkzeug 10 Heizkanäle vorgesehen sind, durch die ein Heizfluid fließt.
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Die Heizvorrichtung 16 ist dabei so ausgeführt, beispielsweise durch die Anzahl und Anordnung der elektrischen Heizelemente 18, dass das Werkzeug 10 auf der dem Gehäuse 32 zugewandten Seite 12 gleichmäßig aufgeheizt wird.
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Es ist auch möglich, dass die Heizvorrichtung 16 ein Induktionselement aufweist, mit dessen Hilfe das Gehäuse 32 direkt durch Induktion aufgeheizt wird.
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Zwischen der der Werkzeugmaschine 11 zugewandten Seite 14 und der dem Gehäuse 32 zugewandten Seite 12 des Werkzeugs 10 ist eine thermische Isolierung 20 vorgesehen. Die Heizvorrichtung 16 heizt nur den direkt an das Gehäuse 32 angreifenden Teil des Werkzeugs 10 auf, während andere Bauteile der Werkzeugmaschine 11 von der Heizvorrichtung 16 isoliert sind.
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Eine optionale Kühlvorrichtung 22 auf der der Werkzeugmaschine 11 zugewandten Seite 14 des Werkzeugs 10 weist mehrere Kühlkanäle 24 auf, durch die ein Kühlfluid fließt. Die Kühlvorrichtung 22 ist vorgesehen, um die Temperatur der Werkzeugmaschine 11, unabhängig von der durch die Heizvorrichtung 16 bestimmten Temperatur des Gehäuses 32, in einem bestimmten Bereich zu halten, welcher eine optimale Funktion der Werkzeugmaschine 11 gewährleistet.
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Ein erster Temperatursensor 28 ist auf der dem Gehäuse 32 zugewandten Seite 12 des Werkzeugs 10 vorgesehen. Dieser Temperatursensor 28 dient zur Temperaturregelung des Werkzeugs 10 und damit der Anlagefläche für das Gehäuse 32. Ein weiterer Temperatursensor 28 ist auf der der Werkzeugmaschine 11 zugewandten Seite 14 des Werkzeugs 10 vorgesehen, wobei dieser Temperatursensor 28 zur Regelung der Kühlvorrichtung 22 und/oder als Überhitzungsschutz für die Werkzeugmaschine 11 dient.
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Es ist natürlich auch möglich, dass andere Temperatursensoren vorgesehen sind, beispielsweise solche, die direkt die Temperatur des Gehäuses 32 messen.
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6 zeigt einen Teil einer Werkzeugmaschine 11 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Werkzeug 10 ein Stopfwerkzeug ist, mit welchem der Einleger 34 in das Gehäuse 32 gestopft wird. Eine Heizvorrichtung 16 besteht aus einem Induktionselement 26, welches um das Gehäuse 32 herum angeordnet ist. Ein trichterförmiges Werkzeugteil 40 ist an einem axialen Ende des Gehäuses angeordnet. Das trichterförmige Werkzeugteil 40 und das Induktionselement 26 bilden die Gehäuseaufnahme des Werkzeugs 10.
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In der gezeigten Ausführungsform dient die Heizvorrichtung 16 zur direkten Aufheizung des Gehäuses 32 mittels Induktion. Es ist auch möglich, dass die Heizvorrichtung auch das trichterförmige Werkzeugteil 40 auf eine bestimmte Temperatur aufheizt.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung von abgasreinigenden Vorrichtungen 30 anhand der 1 bis 6 erläutert.
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Eine erste Variante des Herstellungsverfahrens ist das Stopf-Verfahren. Der Einleger 34 der abgasreinigenden Vorrichtung 30 wird zu Beginn des Verfahrens vermessen, und das Gehäuse 32 wird beispielsweise durch ein Kalibrier-Verfahren auf die benötigten Abmessungen gebracht. Auf diese Weise ist es möglich, Herstellungstoleranzen des Einlegers 34 zu kompensieren.
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Im folgenden Verfahrensschritt wird der Einleger 34 mit einer Dämmmatte 36 umwickelt. Dabei ist es auch möglich, Material und/oder Volumen der Dämmmatte 36 beispielsweise in Abhängigkeit von den Abmessungen des Einlegers 34 zu wählen, die Dämmmatte einzeln zu wiegen oder die Einheit aus Dämmmatte 36 und Einleger 34 individuell zu vermessen.
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Das Gehäuse 32 wird in das Werkzeug 10 der Werkzeugmaschine 11 eingebracht, wobei das Gehäuse 32 mit einem axialen Ende am trichterförmigen Werkzeugteil 40 anliegt und vom Induktionselement 26 umgeben wird, wie in 6 gezeigt ist. Das Gehäuse 32 wird nun durch das Induktionselement 26 aufgeheizt.
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Der mit der Dämmmatte 36 umwickelte Einleger 34 wird anschließend in das aufgeheizte Gehäuse 32 durch das trichterförmige Werkzeugteil 40 eingeführt. Dabei komprimiert das trichterförmige Werkzeugteil 40 die den Einleger 34 umgebende Dämmmatte 36, so dass der Durchmesser der Einheit von Einleger 34 und Dämmmatte 36 maximal den Innenabmessungen des Gehäuses 32 entspricht oder kleiner ist als diese.
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Durch das Aufheizen des Gehäuses 32 ist das Gehäuse 32 thermisch ausgedehnt, wodurch sich die Innenabmessungen des Gehäuses 32 vergrößern, was das Einführen des umwickelten Einlegers 34 vereinfacht.
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Das Gehäuse 32 ist während des Einführens des Einlegers 34 auf mindestens 150 °C aufgeheizt, wodurch sich der Binder in der Dämmmatte 36 verflüssigt und die Reibung zwischen Dämmmatte 36 und Gehäuse 32 reduziert.
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Nach dem Einführen des Einlegers 34 in das Gehäuse 32 wird die abgasreinigende Vorrichtung 30 abgekühlt, und die Trichter 38 können an das Gehäuse 32 angefügt oder geformt werden.
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Die Heizvorrichtung 16 mit dem Induktionselement 26 ist so geregelt, dass die Temperatur des Gehäuses 32 höchstens 630 °C beträgt. Das Gehäuse 32 wird vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 300 °C und 500 °C aufgeheizt.
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Es ist auch möglich, dass das Gehäuse 32 bereits bei der Kalibrierung des leeren Gehäuses 32 zu Beginn des Verfahrens aufgeheizt wird.
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Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante erfolgt die Herstellung der abgasreinigenden Vorrichtung 30 durch ein Kalibrier-Verfahren. Dabei wird der Einleger 34 mit der Dämmmatte 36 umwickelt. Das Gehäuse 32, gegebenenfalls samt Einleger 34, wird in der Werkzeugmaschine 11 aufgeheizt, wobei die Abmessungen des Gehäuses 32 größer sind als der umwickelte Einleger 34.
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Im darauffolgenden Verfahrensschritt werden die Außenabmessungen des Gehäuses 32 reduziert. Das Gehäuse 32 wird in der Werkzeugmaschine 11 durch mehrere als Druckbacken ausgebildete Werkzeuge 10 gehalten, und durch die in die Werkzeuge 10 integrierten Heizvorrichtungen 16 aufgeheizt wird. Der Temperaturbereich des aufgeheizten Gehäuses 32 ist dabei analog zum vorher beschriebenen Stopf-Verfahren.
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Aufgrund des Materials und der dünnen Wände des Gehäuses 32 erfolgt das Aufheizen des Gehäuses 32 bei Kontakt mit dem heißen Werkzeug 10 sehr schnell, wodurch das Aufheizen des Gehäuses 32 und das Reduzieren der Außenabmessungen des Gehäuses 32 im Wesentlichen gleichzeitig im selben Verfahrensschritt durchgeführt werden können.
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Auch beim Kalibrier-Verfahren ist es möglich, dass der Einleger 34 und/oder die Dämmmatte 36 zu Beginn des Verfahrens ausgemessen werden, um die Außenabmessungen des Gehäuses 32 entsprechend auf den jeweiligen Einleger 34 angepasst zu reduzieren.
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Alternativ zu den obigen Ausführungsformen kann auch ein Wickelwerkzeug verwendet werden, in dem das Gehäuse als Blechteil um den Einleger 34 gelegt und verengt wird. In der verengten Endposition wird das Blech dann randseitig geschweißt, um einen geschlossenen Zylinder zu schaffen. Das in 2 gezeigte Werkzeug kann dabei auch als Wickelwerkzeug eingesetzt werden, indem die Backen 10 das Blech eng um den Einleger schließen. Im Werkzeug wird dann das Blech geschweißt.
