DE102009019496A1

DE102009019496A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erwärmung warm umzuformender Werkstücke

Info

Publication number: DE102009019496A1
Application number: DE200910019496
Authority: DE
Inventors: Manfred Beck; Michael Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2010-11-18
Also published as: EP2427282B1; WO2010127837A2; EP2427282A2; WO2010127837A3

Abstract

Es wird eine Wärmebehandlungsvorrichtung (1), gegebenenfalls mit nachgeschalteter Warmumformvorrichtung (15), beschrieben, die mindestens eine erste Wärmestation (12) und eine nachgeschaltete zweite Wärmestation (13), gegebenenfalls eine oder mehrere weitere nachgeschaltete Wärmestation(en) (14), ein Überführungsvorrichtung, um die Werkstücke (11) den Wärmestationen (12-14) zu- und/oder abzuführen, und eine Steuerungseinrichtung für den Betrieb der Überführungsvorrichtung und/oder den Betrieb der Wärmestationen (12-14) umfasst. Die erste Wärmestation (12) ist derart ausgebildet, dass das darin aufgenommene Werkstück (11) oder die darin aufgenommenen Werkstücke (11) jeweils innerhalb einer vorbestimmten ersten Verweilzeit auf eine vorbestimmte erste Temperatur erwärmbar ist bzw. sind. Die mindestens zweite Wärmestation (13) weist mehr Werkstückaufnahmeplätze (13a) als die mindestens erste Wärmestation (12) auf und ist derart ausgebildet, dass die darin aufgenommenen Werkstücke (11) jeweils innerhalb einer bestimmten zweiten Verweilzeit, die größer ist als die erste Verweilzeit in der ersten Wärmestation (12), auf eine vorbestimmte zweite Temperatur erwärmbar und/oder auf dieser vorbestimmten zweiten Temperatur konstant haltbar sind, wobei die vorbestimmte zweite Temperatur in der zweiten Wärmestation (13) ungefähr gleich oder höher ist als die vorbestimmte erste Temperatur in der ersten Wärmestation (12). Weiter wird ein Wärmebehandlungsverfahren beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erwärmung warm umzuformender metallischer Werkstücke, zum Beispiel von Blechteilen einer Fahrzeugkarosserie.
Zur Warmumformung von metallischen Werkstücken, wie Blechteilen, mit einem auf Diffusion beruhenden Oberflächenschutz bedarf es nicht nur einer Erwärmung der Blechteile auf die zur Umformung erforderliche Endtemperatur. Damit eine genügende Menge des den Oberflächenschutz bildenden Materials in die Blechoberfläche eindiffundieren kann, müssen die Blechteile ferner über einen vorgegebenen Mindestzeitraum auf einer vorgegebenen Mindesttemperatur gehalten werden, was eine entsprechend große Verweildauer in einer Aufheizvorrichtung erfordert. Um dennoch oberflächengeschützte Blechteile in schneller Folge einem Warmumformprozess zuführen zu können, werden zu deren Erwärmung bislang lange Rollenherdöfen eingesetzt, welche die Blechteile in einem Zeitraum von mehreren Minuten in einer langen Reihe durchlaufen. Neben außerordentlich viel Platz erfordern solche Ofen einen hohen Investitions- und Instandhaltungsaufwand. Der Ofeninnenraum ist im Betrieb weitgehend unzugänglich. Defekte und Störungen im Ofeninneren führen unvermeidlich zur Stilllegung der gesamten Anlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue verbesserte Vorrichtung sowie ein neues verbessertes Verfahren zur Erwärmung warm umzuformender Werkstücke zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und einem Wärmebehandlungsverfahren, vorzugsweise mit einer solchen Wärmebehandlungsvorrichtung, nach Patentanspruch 18 sowie für konkrete Anwendungen der Wärmebehandlung von warm umzuformenden metallischen Werkstücken, zum Beispiel Blechteilen einer Fahrzeugkarosserie mit einem hierfür speziellen Wärmebehandlungsverfahren nach Patentanspruch 27.
Die Lösung gemäß Patentanspruch 1 sieht eine Wärmebehandlungsvorrichtung, ggf. mit nachgeschalteter Warmumformvorrichtung, zum Beispiel mit einer Presse für metallische Werkstücke, vorzugsweise Blechteile einer Fahrzeugkarosserie, vor. Diese Wärmebehandlungsvorrichtung umfasst

– eine erste Wärmestation,
– eine nachgeschaltete zweite Wärmestation,
– gegebenenfalls eine oder mehrere weitere nachgeschaltete Wärmestation(en),
– eine Überführungsvorrichtung, um die Werkstücke den Wärmestationen zu und/oder abzuführen, und
– eine Steuerungseinrichtung für den Betrieb der Überführungsvorrichtung und/oder den Betrieb der Wärmestationen, wobei vorgesehen ist,
– dass die erste Wärmestation derart ausgebildet ist, dass das darin aufgenommene Werkstück oder die darin aufgenommenen Werkstücke jeweils innerhalb einer für die erste Wärmestation vorbestimmten Verweilzeit auf eine für die erste Wärmestation vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist bzw. sind,
– dass die zweite Wärmestation mehr Werkstückaufnahmeplätze als die erste Wärmestation aufweist, und derart ausgebildet ist, dass die darin aufgenommenen Werkstücke jeweils innerhalb einer für die zweite Wärmestation vorbestimmten Verweilzeit, die größer ist als die für die erste Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit, auf eine für die zweite Wärmestation vorbestimmte Temperatur erwärmbar und/oder auf dieser vorbestimmten Temperatur konstant haltbar sind, wobei die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Temperatur ungefähr gleich oder höher ist als die für die erste Wärmestation vorbestimmte Temperatur.

Bei dieser erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung können eine oder mehrere solcher ersten Wärmestationen und eine oder mehrere solcher zweiten Wärmestationen vorgesehen sein. Ferner können weitere Wärmestationen vor- und/oder nachgeschaltet und gegebenenfalls zwischengeschaltet sein. Durch die Aufteilung in mehrere unterschiedliche Wärmestationen wird die apparative Voraussetzung geschaffen, die Erwärmung der Werkstücke in mehreren unterschiedlichen Wärmebehandlungsphasen durchzuführen. Bei den unterschiedlichen Wärmebehandlungsphasen kann es sich um mehrere erwärmungs- und/oder temperaturerhaltende Phasen mit vorzugsweise unterschiedlichen Temperaturen in den Wärmestationen und mit vorzugsweise unterschiedlicher Verweilzeit in den Wärmestationen handeln.
Bei besonders vorteilhaften Anwendungen der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung werden mit einem Oberflächenschutz beschichtete Teile eingesetzt, es kann sich dabei um warm umzuformende metallische Werkstücke handeln, vorzugsweise Blechteile einer Fahrzeugkarosserie. Die erfindungsgemäße Wärmbehandlungsvorrichtung ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt. Im Falle der warm umzuformenden metallischen Werkstücke mit Oberflächenschutz wird in der ersten Wärmestation eine schnelle Erwärmungsphase und in der zweiten Wärmestation eine Diffusionsphase durchgeführt. In der Diffusionsphase erfolgt bei einer für die Diffusion erforderlichen Temperatur die Diffusion des Beschichtungsmaterials in das metallische Werkstück hinein. Die Verweilzeit in der Wärmestation der Diffusionsphase wird im Vergleich zu der Verweilzeit in der vorgeschalteten schnellen Erwärmungsstation größer eingestellt.
Erfindungsgemäß können die unterschiedlichen Stationen in Verbindung mit den unterschiedlichen Verweilzeiten eine unterschiedliche Anzahl von Werkstückaufnahmeplätzen aufweisen. Mit der Anzahl der Werkstückaufnahmeplätze in den Stationen wird eine Mehrfachbelegung und damit eine Parallelbehandlung von mehreren Werkstücken in jeweils einer Wärmestation möglich.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung ist, dass die zweite Wärmestation mehr Werkstückaufnahmeplätze als die erste Wärmestation aufweist. Dies bedeutet, dass in der zweiten Wärmestation eine größere Anzahl von Werkstückaufnahmeplätzen zur Verfügung steht. Es ist damit in der zweiten Wärmestation also eine Parallelbehandlung von mehreren Werkstücken gleichzeitig oder zumindest zeitlich überlappend möglich. Es müssen allerdings nicht grundsätzlich bei allen Ausführungen des Wärmebehandlungsprozesses alle zur Verfügung stehenden Werkstückeaufnahmeplätze genutzt, das heißt mit Werkstücken belegt werden.
Ferner kann die zweite Wärmestation erfindungsgemäß gewissermaßen einen Pufferspeicher bilden. Es ist damit möglich, in der zweiten Wärmestation relativ lange Verweilzeiten der Werkstücke vorzusehen und in der vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten Wärmestation kürzere Verweilzeiten zu realisieren, wobei die Taktzeit durch die kürzere Verweilzeit, zum Beispiel durch eine nachgeschaltete Wärmestation oder die nachgeschaltete Warmumformungsvorrichtung bestimmt werden kann. Die Entnahmezeit der in den Stationen erwärmten Werkstücke kann damit gegenüber der herkömmlichen Technik um ein Vielfaches reduziert werden und kann zum Beispiel auf die Taktzeit der Umformmaschine abgestimmt werden.
Durch das erfindungsgemäße Konzept der Vorrichtung mit der Mehrfachbelegung bzw. Parallelwärmebehandlung in der zweiten Wärmestation in Verbindung mit vor- und nachgeschalteten Wärmestationen mit geringerer Anzahl von Werkstückaufnahmeplätzen kann relativ klein gebaut werden und eine gute Zugänglichkeit und geringere Instandhaltungskosten erreicht werden.
Durch die hohe Werkstückaufnahmekapazität, das heißt die Vielzahl der Werkstückaufnahmeplätze in der zweiten Wärmestation, kann auch eine hohe Variabilität und Flexibilität der Wärmebehandlungsvorrichtung erreicht werden. So können der zweiten Wärmebehandlungsstation wechselnde Stationen unterschiedlicher Werkstückaufnahmekapazität bzw. unterschiedlicher Verweilzeit vor- und/oder nachgeschaltet werden.
Bei bevorzugten Ausführungen ist vorgesehen, dass eine der zweiten Wärmestation nachgeschaltete dritte Wärmestation vorgesehen ist, die weniger Werkstückaufnahmeplätze als die zweite Wärmestation aufweist und derart ausgebildet ist, dass das darin aufgenommene Werkstück oder die darin aufgenommenen Werkstücke jeweils innerhalb einer für die dritte Wärmestation vorbestimmten Verweilzeit, die kleiner ist als die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit auf einen für die dritte Wärmestation vorbestimmte Temperatur erwärmbar und/oder auf diese vorbestimmte Temperatur konstant haltbar ist bzw. sind, wobei diese vorbestimmte Temperatur ungefähr gleich oder höher ist als die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Temperatur.
Es können eine oder mehrere solcher dritten Wärmestationen vorgesehen sein. Wesentlich ist, dass die Anzahl der Werkstückaufnahmeplätze dieser dritten Wärmestation geringer ist als die der zweiten Wärmestation. Bei speziellen Ausführungen kann die Anzahl der Werkstückaufnahmeplätze der dritten Wärmestation gleich sein wie die Anzahl der Werkstückaufnahmeplätze der ersten Wärmestation. Es sind Ausführungen vorgesehen, bei denen die erste Wärmestation und/oder die zweite Station jeweils nur einen Werkstückaufnahmeplatz aufweist.
Die Art der Heizungseinrichtungen in den verschiedenen Wärmestationen kann unterschiedlich sein. Damit können wesentliche Vorteile erreicht werden, weil abhängig von der Leistung der jeweiligen Heizungseinrichtung die Anzahl der Werkstückaufnahmeplätze für die betreffende Wärmestation gewählt werden kann. Besonders bevorzugt ist, wenn in der ersten Wärmestation eine induktive Heizeinrichtung vorhanden ist, um eine besonders schnelle Erwärmung der Werkstücke zu erhalten. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die erste Wärmestation eine Wärmeeinrichtung zur induktiven Erwärmung der Werkstücke aufweist. Es sind jedoch auch Ausführungen mit konduktiver Erwärmung der Werkstücke in der ersten Wärmestation denkbar.
Was die Heizeinrichtung der zweiten Wärmestation betrifft, ist von Vorteil, wenn die zweite Wärmestation eine Wärmeeinrichtung zur Beheizung der Werkstücke mittels Brennstoffverbrennung oder/und durch elektrische Widerstandsbeheizung aufweist. Es ist auch möglich, den Energiebedarf durch gute Isolierung der zweiten Wärmestation zu senken. Dies ist von besonderem Vorteil bei der zweiten Wärmestation, die eine relativ lange Verweilzeit vorsieht. Vorzugsweise werden gut isolierte Abschlussvorrichtungen, wie Abschlussklappen oder Abschlussdeckel, vorgesehen, die ein Zuführen und Abführen der Werkstücke ermöglichen, aber die Wärmeverluste während der Verweilzeit der betreffenden Werkstücke möglichst minimieren.
Was die dritte Wärmestation betrifft, ist von Vorteil, wenn die dritte Wärmestation mindestens eine Wärmeeinrichtung zur induktiven Erwärmung der Blechteile aufweist. In der dritten Wärmestation kann vorzugsweise auch eine zonenweise Erwärmung vorgesehen sein. Es kann vorgesehen sein, dass die dritte Wärmestation mindestens zwei oder mehr gleichartige oder verschiedenartige Wärmeeinrichtungen aufweist, die zonenweise zwei oder mehr unterschiedliche für die dritte Wärmestation vorbestimmte Temperaturen ausbilden. Für jede der Zonen kann vorzugsweise ein eigener Induktor zum Einstellen der erforderlichen unterschiedlichen Temperatur vorgesehen sein, z. B. Temperaturen unterhalb oder oberhalb der Austenitisierungstemperatur des metallischen Werkstoffs. Es ist aber auch möglich, die erforderlichen unterschiedlichen Temperaturen durch einen Induktor mit unterschiedlichen Wärmeerzeugungszonen zu verwenden. In Verbindung mit der Mehrzonenerwärmung kann ein Mehrzonenhärten erfolgen. Es kann durch unterschiedliche Erwärmung in den unterschiedlichen Zonen eine in den unterschiedlichen Zonen vordefinierte Festigkeit erreicht werden. Besondere Vorteile ergeben sich mit den Mehrzonenheizeinrichtungen auch wenn die zu erwärmenden Werkstücke in den unterschiedlichen Zonen unterschiedliche Materialdicken aufweisen.
Die Abstimmung in den unterschiedlichen Zonen kann auch für Materialkombinationen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und unterschiedlicher Leitfähigkeit in den Zonen erfolgen.
Wie oben bereits erwähnt ergeben sich besonders bevorzugte Anwendungen der Wärmebehandlung, wenn vor der Wärmebehandlung auf die Werkstücke ein Schutzmaterial aufgebracht wird, so kommt es bei der Wärmebehandlung von warm umzuformenden metallischen Werkstücken mit Oberflächenbeschichtung insbesondere darauf an, dass vor dem Warmumformen das Material der Oberflächenbeschichtung in die Werkstücke eindiffundiert. Das Wärmebehandlungsverfahren kann gemäß Patentanspruch 27 hierfür vorzugsweise die folgenden Schritte aufweisen:
Schritt a: Erwärmen des Werkstücks über einen ersten Zeitabschnitt,
Schritt b: Warmhalten des Werkstückes durch Wärmeisolieren und/oder Beheizen auf einer Temperatur für das Eindiffundieren des Materials zur Oberflächenbeschichtung in das Werkstück über einen zweiten Zeitabschnitt,
Schritt c: weiteres Erwärmen des Werkstückes auf eine Temperatur, die gleich oder höher ist als die Austenitisierungstemperatur des Werkstücks und Halten der Temperatur auf mindestens der Austenitisierungstemperatur über einen dritten Zeitabschnitt,
wobei die Zeitdauer des Schrittes a und die Zeitdauer des Schrittes c jeweils kürzer ist als die Zeitdauer des Schrittes b und
wobei Werkstücke, die sukzessive nacheinander oder mit zeitlicher Überlappung dem Schritt a unterzogen werden, sodann gleichzeitig, d. h. zumindest überlappend, dem Schritt b unterzogen werden und sodann sukzessive ohne zeitliche Überlappung dem Schritt c unterzogen werden. Vorzugsweise kann in Schritt a induktives Erwärmen des Werkstücks vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, andere Erwärmungsverfahren vorzusehen, beispielsweise konduktives Erwärmen. Vorzugsweise kann im Schritt b das Beheizen mittels Brennstoffverbrennung und/oder mittels elektrischer Widerstandsbeheizung durchgeführt werden.
Das Wärmebehandlungsverfahren kann vorzugsweise mit einer Wärmebehandlungsvorrichtung mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wärmestation, wie sie vorangehend beschrieben sind, durchgeführt werden. Eine solche Lösung gibt der Gegenstand des Patentanspruchs 18, wonach die folgenden Verfahrensschritte zyklisch durchlaufen werden:

a) Übergabe eines Werkstücks an die erste Wärmestation,
b) Erhitzen des Werkstücks während einer für die erste Wärmestation vorbestimmten Verweilzeit auf eine für die erste Wärmestation vorbestimmte Temperatur,
c) Zuordnung der positionsverstellbaren ersten Wärmestation zu einem freien zweiten Werkstückaufnahmeplatz der zweiten Wärmestation,
d) Übergabe des Werkstücks nach Ablauf der für die erste Wärmestation vorbestimmten Verweilzeit an die zweite Wärmestation,
e) Erhitzen des Werkstücks auf eine für die zweite Wärmestation vorbestimmte Temperatur und Halten dieser Temperatur;
f) Zuordnung der positionsverstellbaren dritten Wärmestation zu einem belegten zweiten Werkstückaufnahmeplatz der zweiten Wärmestation, an dem eine die Verweilzeit größer oder gleich der für die zweite Wärmestation vorbestimmten Verweilzeit ist,
g) Übergabe des Werkstücks an die dritte Wärmestation,
h) Erhitzen des Werkstücks auf die für die dritte Wärmestation vorbestimmte Temperatur,
i) Positionieren der dritten Wärmestation, sodass das Werkstück an die stromabwärts hinter der dritten Wärmestation angeordnete Warmumformvorrichtung übergebbar ist,
j) Übergabe des Werkstücks an die Warmumformvorrichtung.

Die nachfolgenden Ausführungen sind auf besonders bevorzugte Spezifizierungen der Verfahrensschritte gerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte b) bis d) und e) bis g) und h) bis j) simultan ausgeführt werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass in Schritt h) mindestens zwei für die dritte Wärmestation vorbestimmte Temperaturen vorgesehen sind, wobei diese zwei Temperaturen unterschiedlichen Werkstückabschnitten zugeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedliche Kristallstrukturen im Werkstück auszubilden, beispielsweise austenistische und nichtaustenitische Bereiche, sodass das Werkstück nach dem Erkalten gehärtete und duktile Bereiche aufweisen kann. Als Austenit werden γ-Mischkristalle des Eisens bezeichnet. Austenit ist Bestandteil vieler nichtrostender Stähle. Das Gefüge hat eine geringe Härte, kann jedoch durch Kaltverformung beträchtlich gesteigert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Temperatur bzw. die Temperaturen in der dritten Wärmestation größer oder gleich der Austenitisierungstemperatur ist bzw. sind. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass mindestens eine der für die dritte Wärmestation vorbestimmten Temperaturen kleiner als die Austenitisierungstemperatur ist.
Was die zonenweise unterschiedlichen Temperaturen in der dritten Wärmestation betrifft, kann die Temperatur eines der Werkstückabschnitte beispielsweise über der Austenitisierungstemperatur liegen, die Temperaturen in den anderen Werkstückabschnitten können unter der Austenitisierungstemperatur liegen, wobei die Austenitisierungstemperatur beispielsweise aus dem Zustandsdiagramm der Stahllegierung ablesbar ist, aus der das Werkstück gebildet ist. So ist es besonders einfach möglich, dass Werkstückabschnitte im Anschluss an die Warmumformung in einer Pressvorrichtung pressgehärtet werden, während andere Werkstückabschnitte duktil bleiben. Die duktilen Bereiche des aus dem Werkstück hergestellten Bauteils können sich bei Überbelastung stark plastisch verformen und sind daher in der Lage, Aufprallenergie zu absorbieren, während die gehärteten Bereiche zur Stabilität beitragen. Die so ausgebildeten Bauteile sind besonders zur Verbesserung der Sicherheit von Kraftfahrzeugen bei Auffahrunfällen geeignet, weil die duktilen Bereiche als Knautschzonen wirken können und durch Deformation Aufprallenergie vernichten.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit mindestens gleich ist der Zeit, in welcher der Diffusionsprozess abgeschlossen ist. Es ist möglich, die Verweilzeit in der dritten Wärmestation den technologischen Erfordernissen anzupassen und größer zu wählen, wodurch das Ergebnis der Diffusion nicht in Frage gestellt ist.
Es ist möglich, dass die Taktzeit der Warmumformvorrichtung größer ist als die für die erste Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit und/oder die für die dritte Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit. in diesem Falle bestimmt die Taktzeit der Warmumformvorrichtung unter Einrechnung der Übergabezeit zwischen der dritten Wärmestation und der Warmumformvorrichtung und der Zeit für die Entnahme des fertigen Bauteils aus der Warmumformvorrichtung die kleinste mögliche Taktzeit.
Es kann vorgesehen sein, dass die Taktzeit der Warmumformvorrichtung sehr viel kleiner ist als die zweite Verweilzeit, vorausgesetzt die zweite Wärmestation, die eine relativ hohe Verweilzeit vorsieht, hat eine ausreichend hohe Anzahl von Werkstückaufnahmeplätzen.
Wie weiter oben ausgeführt, sind die für die erste und die dritte Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit wesentlich kleiner als die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit. Wenn beispielsweise die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit 4 Minuten beträgt, das sind 240 Sekunden, und die für die erste und die dritte Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit jeweils 4 Sekunden beträgt, so ist die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit (240/4)-mal, d. h. 80mal größer als die für die erste Wärmestation vorbestimmte Verweilzeit. Folglich muss die zweite Wärmestation mindestens 80 zweite Werkstückaufnahmeplätze aufweisen, um im gleichen Takt wie die erste Wärmestation zu arbeiten.
Diese sehr grobe Abschätzung berücksichtigt noch nicht die Übergabezeiten zwischen den Wärmebehandlungsstationen. Wenn die Übergabezeit zwischen benachbarten Wärmestationen beispielsweise 6 Sekunden beträgt, werden nur noch mindestens 240/(4 + 6) = 24 zweite Werkstückaufnahmeplätze benötigt, um den gleichen Taktzeit-Einsparungseffekt zu erzielen. Wie weiter oben ausgeführt, kann jedoch die Taktzeit der Warmumformvorrichtung unter Einrechnung der Übergabezeit zwischen der dritten Wärmestation und der Warmumformvorrichtung und der Zeit für die Entnahme des fertigen Bauteils aus der Warmumformvorrichtung die kleinste mögliche Taktzeit bestimmen, die dann zur Berechnung der Mindestanzahl der benötigten zweiten Werkstückaufnahmeplätze zu verwenden ist. Unter der Annahme, dass die besagte Summe aus der Taktzeit der Warmumformvorrichtung und den Übergabezeiten 20 Sekunden beträgt, werden nur noch mindestens 240/20 = 12 zweite Werkstückaufnahmeplätze benötigt.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind auf besonders bevorzugte apparative Gestaltungen der Wärmestationen gerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Wärmestationen und/oder der Werkzeugaufnahmeplatz und/oder die Werkzeugaufnahmeplätze mindestens einer der Wärmestationen positionsverstellbar ist bzw. sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Wärmestation und/oder der Werkstückaufnahmeplatz und/oder die Werkstückaufnahmeplätze derart positionsverstellbar ist bzw. sind, dass mindestens ein Werkstückaufnahmeplatz der verstellbaren Wärmestation oder der verstellbare Werkstückaufnahmeplatz und/oder die verstellbaren Werkstückaufnahmeplätze einem Werkstückaufnahmeplatz einer nachgeschalteten oder vorgeschalteten Wärmestation zuordenbar ist bzw. sind für die Zufuhr eines Werkstückes von der vorgeschalteten Wärmestation oder für die Abfuhr eines Werkstückes zu der nachgeschalteten Wärmestation.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Werkstück auf einem verfahrbaren Träger abgestützt angeordnet ist, welcher während der Verweilzeit des Werkstücks in einer Wärmestation auf dem Werkstückaufnahmeplatz stillstehend und/oder festgestellt angeordnet ist und während der Zufuhr des Werkstücks von einer vorgeschalteten Wärmestation oder während der Abfuhr des Werkstücks zu einer nachgeschalteten Wärmestation bewegbar geführt ist. Bei dem verfahrbaren Träger kann es sich beispielsweise um einen Transportwagen handeln, auf dem das Werkstück abgelegt und ggf. fixiert ist.
Insbesondere bei induktiver Erwärmung ist das Fixieren des Werkstücks auf dem Werkstückaufnahmeplatz bzw. dem verfahrbaren Träger vorteilhaft, weil andernfalls das Werkstück bei induktiver Erwärmung unkontrollierte Bewegungen, etwa Flatterbewegungen, ausführen könnte. Es ist bei bevorzugten Ausführungen von Wärmestationen mit induktiver Erwärmung vorgesehen, die Werkstücke auf den Werkstückaufnahmeplätzen bzw. den verfahrbaren Trägern zu fixieren. Die Fixierung der Werkstücke kann davon abgesehen bei allen Ausführungen mit verfahrbaren Trägern oder positionsverstellbaren Werkstückaufnahmeplätzen oder positionsverstallbaren Wärmestationen vorteilhafterweise vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass die Werkstücke während der Wärmebehandlung bzw. während ihres Transportes durch die Wärmebehandlungsvorrichtung sicher in Position gehalten werden. Dies gilt insbesondere auch, wenn die Wärmestation selbst positionsverstellbar ausgebildet ist oder positionsverstellbare Werkstückaufnahmeplätze aufweist.
Bei bevorzugten Ausführungen kann vorgesehen sein, dass die positionsverstellbare Wärmestation und/oder der positionsverstellbare Werkstückaufnahmeplatz in vertikaler Richtung verstellbar ist oder in horizontaler Richtung verstellbar ist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere der Wärmestationen vertikal übereinander oder horizontal nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze aufweist. Horizontal nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze können bevorzugt sein, um mehr als eine technologische Linie zur Wärmebehandlung und Warmumformung nebeneinander anzuordnen, wobei die nachstehend beschriebene Ausbildung der zweiten Wärmestation mit vertikal übereinander angeordneten Werkstückaufnahmeplätzen bevorzugt sein kann.
In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die zweite Wärmestation vertikal übereinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze aufweist und die vorgeschaltete erste Wärmestation oder die nachgeschaltete dritte Wärmestation in vertikaler Richtung positionsverstellbar ist oder mindestens einen in vertikaler Richtung positionsverstellbaren Werkstückaufnahmeplatz aufweist,
oder
dass die zweite Wärmestation horizontal nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze aufweist und die vorgeschaltete erste Wärmestation und/oder die nachgeschaltete dritte Wärmestation in horizontaler Richtung positionsverstellbar ist oder mindestens einen in horizontaler Richtung positonsverstellbaren Werkstückaufnahmeplatz aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder dritte Wärmestation auf einem vertikal oder horizontal verfahrbaren Lift montiert sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Werkstückaufnahmeplatz einen Führungsbahnabschnitt bildet oder mit einem Führungsbahnabschnitt verbunden ist, der für die Zufuhr eines Werkstücks von einer vorgeschalteten Wärmestation oder für die Abfuhr eines Werkstücks zu einer nachgeschalteten Wärmestation einem Führungsbahnabschnitt eines Werkstückaufnahmeplatzes dieser vorgeschalteten bzw. nachgeschalteten Wärmestation zuordenbar ist unter Ausbildung einer aus den Führungsbahnabschnitten zusammengesetzten Führungsbahn. Die Führungsbahnabschnitte können jeweil als Plattform ausgebildet sein. Sie können selbst als Werkstückaufnahmeplatz ausgebildet sein oder einen Träger, vorzugsweise einen beweglichen Träger, abstützen, auf dem das jeweilige Werkstück anordenbar ist. Um die Werkstücke von den Stationen zu- und abzuführen, können diese durch die Überführungsvorrichtung auf den zum Beispiel als Plattform ausgebildeten Führungsbahnabschnitten von der einen zur anderen Station hin verfahren werden. Die Plattformen der Werkstückaufnahmeplätze, zwischen denen die Überführung erfolgt, bilden dabei eine aus den Plattformen zusammengesetzte Führungsbahn für die zu transferierenden Werkstücke.
Es kann vorgesehen sein, dass die Überführungsvorrichtung eine Antriebseinrichtung aufweist, die mit ihrer Abtriebsseite an dem Werkstück und/oder einem das Werkstück aufnehmenden bewegbaren Träger und/oder an einem bewegbaren Bauteil eines Werkstückaufnahmeplatzes unmittelbar oder mittelbar impulsartig oder permanent angreift. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise als eine Zahnstangenantrieb, Gewindestangenantrieb oder eine mit einem pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Linearantrieb ausgebildete Schubstange ausgebildet sein. Diese Ausführungen haben den Vorteil, dass der Antriebsmotor bzw. das Antriebsglied außerhalb der Wärmestationen angeordnet sein können und daher keinem Verschleiß durch hohe Temperaturen unterliegen.
Die Überführungsvorrichtung kann bei abgewandelten Ausführungen auch als Robotergreifarme oder dergleichen ausgebildet sein.
Die weiter oben genannte Steuerungseinrichtung für den Betrieb der Überführungsvorrichtung und/oder den Betrieb der Wärmestationen kann vorteilhafterweise als eine computergesteuerte elektronische Steuerungseinrichtung ausgebildet sein, die mindestens alle zum Betrieb der Wärmebehandlungsvorrichtung benötigten Mess-, Steuer- und Regelkomponenten umfasst, wobei in einem Computer ein Steuerungsprogramm abgelegt sein kann, das das Zusammenwirken der genannten Komponenten koordiniert und überwacht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung (Seitenansicht) einer Vorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit einer Warmumformvorrichtung;
2 eine Teildarstellung der Vorrichtung in 1;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung (Draufsicht).
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Wärmebehandlungsvorrichtung 1 handelt es sich um eine Vorrichtung zur Erwärmung warmumzuformender Werkstücke 11. Diese weist in dem dargestellten Fall drei aufeinanderfolgenden Wärmestationen 12, 13 und 14 auf. Der Wärmestation 14 ist eine Warmumformvorrichtung 15 nachgeschaltet. Bei den Werkstücken 11 handelt es sich um metallische Werkstücke, zum Beispiel zugeschnittene Blechteile einer Fahrzeugkarosserie. Bei den zum Einsatz kommenden Blechteilen handelt es sich vorzugsweise um mit einer Schutzschicht bereits beschichtete Blechteile. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Werkstücke 11 in einer der Wärmebehandlungsvorrichtung vorgeschalteten, nicht dargestellten Beschichtungsstation mit einer Schutzschicht zu versehen und anschließend zu trocknen. Die Werkstücke durchlaufen die in 1 dargestellten Stationen, indem sie jeweils von der einen Station in die andere Station auf im einzelnen im nachfolgenden beschriebener Weise überführt werden.
Die erste Wärmestation 12 dient zum schnellen Erwärmen der Werkstücke 11. In der nachgeschalteten zweiten Wärmestation 13 erfolgt bei einer vorbestimmten Temperatur im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels mit den vorbeschichteten Werkstücken 11 die Diffusion des Schutzmaterials in das metallische Material des Werkstücks hinein. Die vorbestimmte Temperatur wird hierbei so eingestellt, wie sie für die Diffusion des Schutzmaterials erforderlich ist. In der nachgeschalteten dritten Wärmestation 14 erfolgt in dem dargestellten Fall die Austenitisierung der Werkstücke 11. Hierfür wird eine für die gewünschte Austenitisierung erforderliche Temperatur eingestellt. Der Aufbau der einzelnen Stationen und die Betriebsbedingungen werden im nachfolgenden noch im einzelnen erläutert.
Wie in 1 erkennbar, weist die erste Wärmestation 12 einen Werkstückaufnahmeplatz 12a auf. Dieser Werkstückaufnahmeplatz 12a ist durch eine erste Wärmeeinrichtung 12e erwärmbar, die zur schnellen Erwärmung des Werkstücks als induktive Wärmeeinrichtung ausgebildet ist. Es kann aber auch ein anders Erwärmungsverfahren vorgesehen sein, beispielsweise konduktives Erwärmen.
Diese erste Wärmestation 12 weist bei dem Ausführungsbeispiel in 1 nur einen Werkstückaufnahmeplatz 12a auf. Er ist als Plattform ausgebildet, auf dem, wie in 1 erkennbar, ein Transportwagen 16 angeordnet ist. Der Transportwagen 16 weist eine in 1 nicht dargestellte Haltevorrichtung zur Aufnahme und Fixierung des Werkstücks 11 auf. Die den Werkstückaufnahmeplatz 12a bildende Plattform durchgreift die Wärmestation 12 und bildet damit einen Führungsabschnitt 12f für die Überführung des Werkstücks, wie noch näher erläutert werden wird.
Im dargestellten Fall ist die erste Wärmestation 12 auf einem Lift 17 angeordnet, der an einem säulenartigen stationären Trag- und Führungskörper 17 senkrecht verfahrbar ist.
Die zweite Wärmestation 13 weist mehrere Werkstückaufnahmeplätze 13a auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Aufnahmefächer regalartig übereinander angeordnet sind. Diese Werkstückaufnahmeplätze 13a sind jeweils als Plattformen ausgebildet, auf denen jeweils ein Transportwagen 16 mit dem Werkstück 11 anordenbar ist. Die Plattformen bilden jeweils den Boden der Aufnahmefächer. Sie durchgreifen jeweils die Wärmestation 13 und bilden damit Führungsbahnabschnitte 13f für die separat noch näher erläuterte Übergabe der Werkstücke.
Die Werkstückaufnahmeplätze 13a der zweiten Wärmestation sind in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als wärmeisolierte Aufnahmefächer ausgebildet. Sie weisen verschließbare Ein- und Ausgänge auf, die beispielsweise als wärmeisolierte Klappen ausgebildet sind.
Bei der Wärmeeinrichtung der Wärmestation 13 kann es sich um eine mittels Brennstoffverbrennung und/oder durch elektrische Widerstandsbeheizung betrieben Wärmeeinrichtung handeln. Die Wärmeeinrichtung ist als gemeinsame Heizeinrichtung für sämtliche Werkstückaufnahmeplätze der Wärmestation 13 ausgebildet. Die Werkstückaufnahmeplätze sind in dem dargestellten Fall daher nicht gegenseitig wärmeisoliert, sondern lediglich die Außenwände und die verschließbaren Aus- und Eingänge sind wärmeisoliert. Bei abgewandelten Ausführungen ist es auch möglich, für jeden der Werkstückaufnahmeplätze 13a eine separate Wärmeeinrichtung vorzusehen, die beispielsweise als eine induktive oder andersartige Wärmeeinrichtung ausgebildet sein kann. Bei einer anderen Abwandlung ist es möglich, die Wärmestation 13 auch lediglich als reine Wärmeisolationsstation ohne eine beheizende Wärmeeinrichtung auszubilden. Bei solchen Ausführungen ist es vorteilhaft, wenn die Wände der Wärmestation dann entsprechend stark isoliert sind und vorzugsweise können dann auch die Werkstückaufnahmeplätze als jeweils einzelne Wärmeisolationsfächer ausgebildet sein.
Die dritte Wärmestation 14 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen Werkstückaufnahmeplatz 14a auf. Dieser ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel abschnittsweise durch drei Wärmeeinrichtungen 14e, 14e' und 14e'' erwärmbar, wobei das Werkstück 11 auf für den nachfolgenden Warmumformprozess notwendige Temperaturen oder vorzugsweise auf verschiedene geeignete Temperaturen erwärmt wird. Die Wärmeeinrichtungen 14e bis 14e'' für die zonenweise Erwärmung sind nebeneinander angeordnet und so dimensioniert, dass die Temperatur getrennt einstellbar bzw. regelbar ist, so dass im Werkstücks 11 Temperaturzonen ausgebildet werden. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedliche Kristallstrukturen im Werkstück auszubilden, beispielsweise austenistische und nichtaustenitische Bereiche, sodass das Werkstück nach dem Erkalten gehärtete und duktile Bereiche aufweisen kann. Als Austenit werden γ-Mischkristalie des Eisens bezeichnet. Der Begriff Austenit wird auch auf andere kubisch-flächenzentrierte Strukturen übertragen, beispielsweise auf Formgedächtnis-Legierungen. Austenit ist Bestandteil vieler nichtrostender Stähle. Das Gefüge hat eine geringe Härte, kann jedoch durch Kaltverformung beträchtlich gesteigert werden. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Endtemperatur der zweiten Wärmeeinrichtung 14e' über der Austenitisierungstemperatur, die Endtemperaturen der beiden anderen Wärmeeinrichtungen 14e und 14e'' sind unterhalb der Austenitisierungstemperatur, wobei die Austenitisierungstemperatur beispielsweise aus dem Zustandsdiagramm der Stahllegierung ablesbar ist, aus der das Werkstück 11 gebildet ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die dritte Wärmestation 14 nur eine Wärmebehandlungseinrichtung aufweist und keine unterschiedliche Zonenerwärmung durchgeführt wird.
Die Wärmeeinrichtungen 14e bis 14e'' der dritten Wärmestation sind vorteilhafterweise als induktive Wärmeeinrichtungen ausgebildet, sodass wie bei der Wärmeeinrichtung der ersten Wärmestation 12 eine kurze Erwärmungszeit vorgesehen sein kann.
Der Werkstückaufnahmeplatz 14a der dritten Wärmestation 14 ist von einem ebenfalls als Plattform ausgebildeten Führungsbahnabschnitt 14f durchgriffen, der einen Transportwagen 16 aufnehmen kann.
Die dritte Wärmestation 14 ist in gleicher Weise wie die erste Wärmestation 12 auf einem Lift 18 angeordnet, der an einem Trag- und Führungskörper 18t senkrecht verfahrbar ist.
Die Transportwagen 16 und die Führungsbahnabschnitte 12f, 13f und 14f sind Baugruppen einer Überführungsvorrichtung, die für die Zufuhr eines Werkstücks 11 von einer vorgeschalteten Wärmestation oder für die Abfuhr eines Werkstücks 11 zu einer nachgeschalteten Wärmestation vorgesehen ist, wobei aus zugeordneten Führungsbahnabschnitten der Wärmestationen eine Führungsbahn ausbildbar ist, auf der die Transportwagen 16 verfahrbar sind.
Stromabwärts hinter der dritten Wärmestation 14 ist eine Warmumformvorrichtung 15 angeordnet. Bei der Warmumformvorrichtung 15 handelt es sich um eine Warmpressvorrichtung mit einem Presswerkzeug 15p. Die Übergabe des auf dem Transportwagen 16 abgelegten Werkstücks 11 kann beispielsweise durch einen in 1 nicht dargestellten Industrie-Roboter erfolgen. In der Warmumformvorrichtung 15 findet in dem von der Wärmeeinrichtung 14e' erwärmten Bereich des Werkstücks 11 eine Presshärtung statt, während die von den Wärmeeinrichtungen 14e und 14e'' erwärmten Bereich des Werkstücks 11 duktil bleiben. Das beispielhaft beschriebene Werkstück 11 kann vorteilhafterweise in ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs umgeformt werden, das die Sicherheit des Fahrzeugs gegen Aufprallunfälle vergrößern kann. Die duktilen Bereiche des besagten Bauteils können sich bei Überbelastung stark plastisch verformen und sind daher in der Lage, Aufprallenergie zu absorbieren, während die gehärteten Bereiche zur Stabilität beitragen.
Die Wärmestationen, die Überführungsvorrichtung und die Warmumformvorrichtung sind vorteilhafterweise mit einer in 1 nicht dargestellten Steuerungseinrichtung verbunden. Die Steuerungseinrichtung kann vorteilhafterweise als eine computergesteuerte elektronische Steuerungseinrichtung ausgebildet sein, die mindestens alle zum Betrieb der Wärmebehandlungsvorrichtung 1 benötigten Mess-, Steuer- und Regelkomponenten umfasst, wobei in einem Computer ein Steuerungsprogramm abgelegt ist, das das Zusammenwirken der genannten Komponenten koordiniert und überwacht.
Das Werkstück 11 wird auf einem leeren Transportwagen 16 abgelegt, gesichert und der Transportwagen 16 sodann in den Werkstückaufnahmeplatz 12a der ersten Wärmestation 12 eingefahren. Bei bevorzugten Ausführungen ist ein Festspannen der Werkstücke auf dem Transportwagen vorgesehen. Zum Beladen eines leeren Transportwagens 16 in der ersten Wärmestation 12 kann ein Industrieroboter oder eine andere geeignete Zuführ- und Bestückungseinrichtung vorgesehen sein. Bei auf dem Werkstückaufnahmeplatz 12a festgestelltem still stehendem Transportwagen 16 wird nun das Werkstück 11 mittels der Wärmeeinrichtung 12e innerhalb einer vorbestimmten, relativ kurzen Verweilzeit in dieser Wärmestation auf eine erste Temperatur erwärmt, die vorzugsweise oberhalb von 600°C ist. Diese Verweilzeit kann beispielsweise etwa 4 Sekunden betragen.
Während dieser Verweilzeit des Werkstücks auf dem Aufnahmeplatz 12a in der ersten Wärmestation wird durch die Steuerungseinheit ein leerer Werkstückaufnahmeplatz 13a in der zweiten Wärmestation 13 ermittelt und der mit dem Werkstück 11 belegte erste Werkstückaufnahmeplatz 12a der ersten Wärmestation 12 wird mittels des Liftes 17 dem besagten leeren zweiten Werkstückaufnahmeplatz 13a zugeordnet. Dabei fluchtet der Führungsbahnabschnitt 12f der ersten Wärmestation mit dem Führungsbahnabschnitt 13f der zweiten Wärmestation, sodass die beiden Führungsbahnabschnitte 12f, 13f eine gemeinsam zusammengesetzte Führungsbahn bilden, auf der der Transportwagen 16 verfahrbar ist.
Nach Ablauf der vorbestimmten Verweilzeit in der ersten Wärmestation wird nun der Antrieb der Überführungsvorrichtung aktiviert, der mit dem Transportwagen 16 verbunden ist, sodass der Transportwagen 16 an den leeren Werkstückaufnahmeplatz 13a der zweiten Wärmestation übergeben wird. Sobald der Transportwagen 16 in dem Werkstückaufnahmeplatz 13a zum Stillstand gekommen und gegebenenfalls festgestellt ist, wird die Messung der Verweilzeit in der zweiten Wärmestation 13 gestartet, die mindestens so groß wie eine Mindestverweilzeit ist, in der der Diffusionsprozess abgeschlossen ist. Diese Mindestverweilzeit in der zweiten Wärmestation 13 ist wesentlich größer als die Verweilzeit in der ersten Wärmestation 12. Sie kann beispielsweise etwa 4 Minuten betragen.
Parallel zu dem beschriebenen Prozessablauf kann die Steuerungseinheit einen besetzten Werkstückaufnahmeplatz 13a der zweiten Wärmestation 13 bestimmt haben, bei dem die zweite Verweilzeit größer als die Mindestverweilzeit ist und die dritte Wärmebehandlungsstation 14 mittels des Liftes 18 diesem besetzten Werkstückaufnahmeplatz 13a durch Verfahren in die betreffende Position zugeordnet worden sein. Dabei fluchtet der Führungsbahnabschnitt 13f mit dem Führungsbahnabschnitt 14f, sodass die beiden Führungsbahnabschnitte 13f, 14f eine gemeinsame Führungsbahn bilden, auf der der Transportwagen 16 von der zweiten Wärmestation 13 in die dritte Wärmestation 14 verfahrbar ist.
Sodann wird der Antrieb der Überführungsvorrichtung aktiviert, der mit dem Transportwagen 16 verbunden ist, sodass der Transportwagen 16 an den leeren Werkstückaufnahmeplatz 14a der dritten Wärmestation 14 übergeben wird. Sobald der Transportwagen 16 in dem Werkstückaufnahmeplatz 14a zum Stillstand gekommen und festgestellt ist, wird die Messung der Verweilzeit in der dritten Wärmestation 14 gestartet, die als wesentlich kleiner als die Mindestverweilzeit in der zweiten Wärmestation 13 vorbestimmt ist. Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, bei der dritten Wärmestation auf die Zeitmessung zu verzichten und die Verweilzeit in dieser Wärmestation dann zu beenden, wenn alle drei in dieser Wärmestation angestrebten Temperaturen erreicht sind. Die Verweilzeit in der dritten Wärmestation kann vorzugsweise in der Größenordnung der Verweilzeit in der ersten Wärmestation gewählt werden, beispielsweise bei etwa 4 Sekunden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Werkstückaufnahmeplatz 12a der ersten Wärmestation 12 einem belegten Werkstückaufnahmeplatz 13a der zweiten Wärmestation 13 zugeordnet wird, dessen Mindestverweilzeit überschritten ist und dass der leere Werkstückaufnahmeplatz 14a der dritten Wärmestation 14 dem belegten Werkstückaufnahmeplatz 13a der zweiten Wärmestation 13 zugeordnet wird. Dabei bilden die Führungsbahnabschnitte 12f bis 14f eine Führungsbahn, wobei der in dem Werkstückaufnahmeplatz 12a angeordnete Transportwagen 16 den in dem belegten Werkstückaufnahmeplatz 13a angeordneten Transportwagen 16 verdrängt und in den leeren Werkstückaufnahmeplatz 14a hineinschiebt (siehe 2). In analoger Weise kann mit leeren Transportwagen 16 verfahren werden, wobei zwei leere Transportwagen 16 in umgekehrter Verschieberichtung bewegt werden. In diesem Fall kann der Antrieb der Transportwagen sehr einfach als eine Zahnstangenantrieb, Gewindestangenantrieb oder eine mit einem pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Linearantrieb ausgebildete Schubstange ausgebildet sein.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Wärmebehandlungsvorrichtung 2, die wie die Wärmebehandlungsvorrichtung 1 in 1 und 2 ausgebildet ist, mit dem Unterschied, dass sie statt einer Wärmebehandlungslinie zur Wärmebehandlung zwei Wärmebehandlungslinien aufweist, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Zum besseren Verständnis ist die Wärmebehandlungsvorrichtung 2 in schematischer Draufsicht gezeigt.
Die erste Wärmebehandlungslinie ist aus der ersten Wärmestation 12, der zweiten Wärmestation 13 und der dritten Wärmestation 14 gebildet, wobei die zweite Wärmestation 13 in jeder Bearbeitungsebene zwei nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze aufweist. Die zweite Wärmebehandlungslinie ist aus einer weiteren ersten Wärmestation 12', der zweiten Wärmestation 13 und einer weiteren dritten Wärmestation 14' gebildet, sodass im Vergleich zu dem in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel doppelt soviel Werkstücke 11 in der gleichen Zeit wärmebehandelt werden. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass beiden Wärmebehandlungslinien eine gemeinsame Warmumformvorrichtung, wie weiter oben beschrieben, mit hoher Kapazität nachgeschaltet ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass jeder der beiden Wärmebehandlungslinien eine Warmumformvorrichtung nachgeschaltet ist.
Wie weiter oben ausgeführt, sind die Verweilzeiten in der ersten Wärmestation und in der dritten Wärmestation wesentlich kleiner als die Verweilzeit in der zweiten Wärmestation. Wenn, wie weiter oben angegeben, die Verweilzeit in der zweiten Wärmestation 4 Minuten beträgt, d. h. 240 Sekunden, und die Verweilzeit in der ersten Wärmestation 4 Sekunden beträgt, so ist die zweite Verweilzeit 240/4 mal, d. h. 80mal größer als die Verweilzeit in der ersten Wärmestation. Folglich muss die zweite Wärmestation 13 mindestens 80 Werkstückaufnahmeplätze 13a aufweisen, um im gleichen Takt wie die erste Wärmestation 12 zu arbeiten. Die zweite Wärmestation 13 erfüllt also die Funktion eines Pufferspeichers, so dass die längste Taktzeit durch Parallelbetrieb der zweiten Wärmestation 13 auf die Taktzeit der ersten Wärmestation 12 reduziert wird. Wenn die Übergabezeit zwischen benachbarten Wärmestationen beispielsweise 6 Sekunden beträgt, werden nur noch mindestens 240/(4 + 6) = 24 Werkstückaufnahmeplätze 13a benötigt, um den gleichen Effekt zu erzielen.
In einer bevorzugten Ausführung bestimmen die Taktzeit der Warmumformvorrichtung 15, die Übergabezeit zwischen der dritten Wärmestation 14 und der Warmumformvorrichtung 15 sowie die Entnahmezeit des fertiggestellten Bauteils aus der Warmumformvorrichtung in Summe in Relation zu der Verweilzeit in der zweiten Wärmestation die Anzahl der benötigten Werkstückaufnahmeplätze 13a. Unter der Annahme, dass die besagte Summe aus der Taktzeit der Warmumformvorrichtung 15 und der Übergabezeit 20 Sekunden beträgt, werden mindestens 240/20 = 12 Werkstückaufnahmeplätze 13a benötigt.
In den beiden in Verbindung mit den Figuren vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wies die zweite Wärmestation 13 übereinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze 13a auf. Es ist aber auch möglich, dass die zweite Wärmestation 13 nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze 13a aufweist, wobei anstelle der Lifte 17 und 18 waagerecht arbeitende Transporteinrichtungen vorgesehen sein können, welche die Werkstückaufnahmeplätze einander zuordnen.

1: Wärmebehandlungsvorrichtung
11: Werkstück
12, 12': erste Wärmestation
12a: erster Werkstückaufnahmeplatz
12f: erster Führungsbahnabschnitt
12e: erste Wärmeeinrichtung
13, 13': zweite Wärmestation
13a: zweiter Werkstückaufnahmeplatz
13f: zweiter Führungsbahnabschnitt
14, 14': dritte Wärmestation
14e–14e'': dritte Wärmeeinrichtungen
14f: dritter Führungsbahnabschnitt
15: Warmumformvorrichtung
15p: Presswerkzeug
16: Transportwagen
17, 17': Lift
17t, 17t': Trag- und Führungskörper
18, 18': Lift
18t, 18t': Trag- und Führungskörper

Claims

Wärmebehandlungsvorrichtung (1), gegebenenfalls mit nachgeschalteter Warmumformvorrichtung (15), zum Beispiel Presse, für metallische Werkstücke (11), vorzugsweise Blechteile einer Fahrzeugkarosserie, umfassend – eine erste Wärmestation (12), – eine nachgeschaltete zweite Wärmestation (13), – gegebenenfalls eine oder mehrere weitere nachgeschaltete Wärmestation(en) (14), – eine Überführungsvorrichtung, um die Werkstücke (11) den Wärmestationen (12–14) zu- und/oder abzuführen, und – eine Steuerungseinrichtung für den Betrieb der Überführungsvorrichtung und/oder den Betrieb der Wärmestationen (12–14), wobei vorgesehen ist, – dass die erste Wärmestation (12) derart ausgebildet ist, dass das darin aufgenommene Werkstück (11) oder die darin aufgenommenen Werkstücke (11) jeweils innerhalb einer für die erste Wärmestation (12) vorbestimmten Verweilzeit auf eine für die erste Wärmestation (12) vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist bzw. sind, – dass die zweite Wärmestation (13) mehr Werkstückaufnahmeplätze (13a) als die erste Wärmestation (12) aufweist, und derart ausgebildet ist, dass die darin aufgenommenen Werkstücke (11) jeweils innerhalb einer für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmten Verweilzeit, die größer ist als die für die erste Wärmestation (12) vorbestimmte Verweilzeit, auf eine für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmte Temperatur erwärmbar und/oder auf dieser vorbestimmten Temperatur konstant haltbar sind, wobei die für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmte Temperatur ungefähr gleich oder höher ist als die für die erste Wärmestation (12) vorbestimmte Temperatur.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zweiten Wärmestation (13) nachgeschaltete dritte Wärmestation (14) vorgesehen ist, die weniger Werkstückaufnahmeplätze (14a) als die zweite Wärmestation (13) aufweist und derart ausgebildet ist, dass das darin aufgenommene Werkstück (11) oder die darin aufgenommenen Werkstücke (11) jeweils innerhalb einer für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmten Verweilzeit, die kleiner ist als die für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmte Verweilzeit auf eine für die dritte Wärmestation vorbestimmte Temperatur erwärmbar und/oder auf diese vorbestimmte Temperatur konstant haltbar ist bzw. sind, wobei diese vorbestimmte Temperatur ungefähr gleich oder höher ist als die für die zweite Wärmestation vorbestimmte Temperatur.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Wärmestationen (12–14) und/oder der Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) und/oder die Werkstückaufnahmeplätze (12a–14a) mindestens einer der Wärmestationen (12–14) positionsverstellbar ist bzw. sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestation (12–14) und/oder der Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) und/oder die Werkstückaufnahmeplätze derart positionsverstellbar ist bzw. sind, dass mindestens ein Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) der verstellbaren Wärmestation (12–14) oder der verstellbare Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) und/oder die verstellbaren Werkstückaufnahmeplätze einem Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) einer nachgeschalteten oder vorgeschalteten Wärmestation (12–14) jeweils wahlweise temporär zuordenbar ist bzw. sind zwecks Zufuhr eines Werkstückes (11) von der vorgeschalteten Wärmestation (12–14)oder zwecks Abfuhr eines Werkstückes (11) zu der nachgeschalteten Wärmestation (12–14).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (11) auf einem verfahrbaren Träger (16) abgestützt angeordnet ist, welcher während der Verweilzeit des Werkstücks (11) in einer Wärmestation (12–14) auf dem Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) stillstehend und/oder festgestellt angeordnet ist und während der Zufuhr des Werkstücks (11) von einer vorgeschalteten Wärmestation (12–14) oder während der Abfuhr des Werkstücks (11) zu einer nachgeschalteten Wärmestation (12–14) bewegbar geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die positionsverstellbare Wärmestation (12–14) und/oder der positionsverstellbare Werkstückaufnahmeplatz (12–14) in vertikaler Richtung verstellbar ist oder in horizontaler Richtung verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Wärmestationen (12–14) vertikal übereinander oder horizontal nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmestation (13) vertikal übereinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze (13a) aufweist und die vorgeschaltete erste Wärmestation (12) und/oder die nachgeschaltete dritte Wärmestation (14) in vertikaler Richtung positionsverstellbar ist oder mindestens einen in vertikaler Richtung positionsverstellbaren Werkstückaufnahmeplatz (14a) aufweist, oder dass die zweite Wärmestation (13) horizontal nebeneinander angeordnete Werkstückaufnahmeplätze (13a) aufweist und die vorgeschaltete erste Wärmestation (12) und/oder die nachgeschaltete dritte Wärmestation (14) in horizontaler Richtung positionsverstellbar ist oder mindestens einen in horizontaler Richtung positonsverstellbaren Werkstückaufnahmeplatz (14a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückaufnahmeplatz (12a–14a) einen Führungsbahnabschnitt (12f–14f) bildet oder mit einem Führungsbahnabschnitt (12f–14f) verbunden ist, der für die Zufuhr eines Werkstücks (11) von einer vorgeschalteten Wärmestation (12–14) oder für die Abfuhr eines Werkstücks (11) zu einer nachgeschalteten Wärmestation (12–14) einem Führungsbahnabschnitt (12f–14f) eines Werkstückaufnahmeplatzes (12a–14a) dieser vorgeschalteten bzw. nachgeschalteten Wärmestation (12–14) zuordenbar ist unter temporärer Ausbildung einer aus den Führungsbahnabschnitten (12f–14f) zusammengesetzten Führungsbahn.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführungsvorrichtung eine Antriebseinrichtung aufweist, die mit ihrer Abtriebsseite an dem Werkstück (11) und/oder einem das Werkstück (11) aufnehmenden bewegbaren Träger (16) und/oder an einem bewegbaren Bauteil eines Werkstückaufnahmeplatzes (12a–14a) unmittelbar oder mittelbar impulsartig oder permanent angreift.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmestation (12) eine Wärmeeinrichtung (12e) zur induktiven Erwärmung der Werkstücke (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmestation (13) eine Wärmeeinrichtung zur Beheizung der Werkstücke (11) mittels Brennstoffverbrennung oder/und durch elektrische Widerstandsbeheizung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmestation (13) wärmeisolierte Werkstückaufnahmeplätze (13a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahmeplätze (13a) verschließbare Ein- und Ausgänge aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmekapazität der zweiten Wärmestation (13) n mal größer ist als die Aufnahmekapazität der ersten oder der dritten Wärmestation (12, 14), wobei n ≥ 2.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Wärmestation (14) eine Wärmeeinrichtung (14e) zur induktiven Erwärmung der Werkstücke (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Wärmestation (14) zwei oder mehr gleichartige oder verschiedenartige Wärmeeinrichtungen (14e) aufweist, die zonenweise zwei oder mehr unterschiedliche für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmte Temperaturen ausbilden.
Wärmebehandlungsverfahren für warm umzuformende Werkstücke (11) mit einer Wärmebehandlungsvorrichtung (1, 2) mit einer ersten Wärmestation (12), einer zweiten Wärmestation (13) und einer dritten Wärmestation (14), vorzugsweise einer Wärmebehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte zyklisch durchlaufen werden: a) Übergabe eines Werkstücks (11) an die erste Wärmestation (12), b) Erhitzen des Werkstücks (11) während einer für die erste Wärmestation (12) vorbestimmten Verweilzeit auf eine für die erste Wärmestation (12) vorbestimmte Temperatur, c) Zuordnung der positionsverstellbaren ersten Wärmestation (12) zu einem freien zweiten Werkstückaufnahmeplatz (13a) der zweiten Wärmestation (13), d) Übergabe des Werkstücks (11) nach Ablauf der für die erste Wärmestation (12) vorbestimmten Verweilzeit an die zweite Wärmestation (13), e) Erhitzen des Werkstücks (11) auf eine für die zweite Wärmestation vorbestimmten Temperatur und Halten dieser Temperatur; f) Zuordnung der positionsverstellbaren dritten Wärmestation (14) zu einem belegten zweiten Werkstückaufnahmeplatz (13a) der zweiten Wärmestation (13), an dem die Verweilzeit größer oder gleich der für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmten Verweilzeit ist, g) Übergabe des Werkstücks (11) an die dritte Wärmestation (14), h) Erhitzen des Werkstücks (11) auf eine oder mehrere für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmte Temperatur bzw. Temperaturen, i) Positionieren der dritten Wärmestation (14), sodass das Werkstück (11) an eine stromabwärts hinter der dritten Wärmestation (14) angeordnete Warmumformvorrichtung (15) übergebbar ist, j) Übergabe des Werkstücks (11) an die Warmumformvorrichtung (15).
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b) bis d) und e) bis g) und h) bis j) simultan ausgeführt werden.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b die vorbestimmte Temperatur der ersten Wärmestation (12) eine Temperatur ist, die für die Diffusion eines auf das Werkstück (11) aufgebrachten Schutzmaterials erforderlich ist.
Wärmebehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt h) mindestens zwei für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmte Temperaturen vorgesehen sind, wobei diese zwei Temperaturen unterschiedlichen Werkstückabschnitten zugeordnet sind.
Wärmebehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die für die dritte Wärmestation (14) vorbstimmte Temperatur oder mindestens eine der für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmten Temperaturen größer oder gleich der Austenitisierungstemperatur ist.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmte Temperaturen kleiner als die Austenitisierungstemperatur ist.
Wärmebehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmte Verweilzeit mindestens gleich ist der Zeit, in welcher der Diffusionsprozess abgeschlossen ist.
Wärmebehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeit der Warmumformvorrichtung (15) größer ist als die für die erste Wärmestation (12) vorbestimmte Verweilzeit und/oder die für die dritte Wärmestation (14) vorbestimmte Verweilzeit.
Wärmebehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeit der Warmumformvorrichtung (15) sehr viel kleiner ist als die für die zweite Wärmestation (13) vorbestimmte Verweilzeit.
Wärmebehandlungsverfahren von warm umzuformenden metallischen Werkstücken (11), zum Beispiel Blechteilen einer Fahrzeugkarosserie, mit folgenden Schritten: Schritt a: Erwärmen des Werkstücks (11) über einen ersten Zeitabschnitt, Schritt b: Warmhalten des Werkstückes (11) durch Wärmeisolieren und/oder Beheizen auf einer Temperatur für das Eindiffundieren des Materials der Oberflächenbeschichtung in das Werkstück über einen zweiten Zeitabschnitt, Schritt c: weiteres Erwärmen des Werkstückes (11) auf eine Temperatur, die gleich oder höher ist als die Austenitisierungstemperatur des Werkstücks (11) und Halten der Temperatur auf mindestens der Austenitisierungstemperatur über einen dritten Zeitabschnitt, wobei die Zeitdauer des Schrittes a und die Zeitdauer des Schrittes c jeweils kürzer ist als die Zeitdauer des Schrittes b und wobei Werkstücke (11), die sukzessive nacheinander oder mit zeitlicher Überlappung dem Schritt a unterzogen werden, sodann gleichzeitig, d. h. zumindest überlappend, dem Schritt b unterzogen werden und sodann sukzessive ohne zeitliche Überlappung dem Schritt c unterzogen werden.