DE102009029767B4

DE102009029767B4 - Fixierung eines Bauteils während einer Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE102009029767B4
Application number: DE102009029767A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kaltner; Thomas Klier
Original assignee: VPS Vehicle Protection Systems GmbH
Current assignee: VPS Vehicle Protection Systems GmbH
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: DE102009029767A1; DE202008008067U1

Abstract

Vorrichtung zum Fixieren eines Bauteils (W) während einer Wärmebehandlung, die Vorrichtung umfassend: a) eine Basis (1), b) eine von der Basis (1) abragende erste Stütze (10), die eine erste Auflagestelle (11) für das Bauteil (W) bildet, c) eine von der Basis (1) abragende zweite Stütze (20), die in einer Längsrichtung (X) der Vorrichtung in einem Abstand (A) von der ersten Auflagestelle (11) eine zweite Auflagestelle (21) für das Bauteil (W) bildet, d) ein erstes Fixierelement (15) zum Fixieren des Bauteils (W) an der ersten Auflagestelle (11), e) ein zweites Fixierelement (15) zum Fixieren des Bauteils (W) an der zweiten Auflagestelle (21), f) wobei die Basis (1) und wenigstens die erste Stütze (10) jeweils ein Verbindungselement (7, 8) für eine Verbindung (7, 8, 9) aufweisen, in der die erste Stütze (10) relativ zu der Basis (1) in unterschiedliche Einstellpositionen einstellbar und in der jeweils eingenommenen Einstellposition fixierbar ist, um die erste Auflagestelle (11) relativ zu der zweiten Auflagestelle (21) verstellen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fixieren eines Bauteils während einer Wärmebehandlung vorzugsweise zum Härten des Bauteils. Das Bauteil ist vorzugsweise ein metallisches Bauteil. Die Vorrichtung, im Folgenden Fixiervorrichtung, wird vorzugsweise zum Fixieren von Bauteilen verwendet, die gänzlich oder bereichsweise aus beschussfestem Werkstoff bestehen. Die Fixiervorrichtung setzt an geometrisch definierten Punkten an, die vorzugsweise durch Berechnungssoftware ermittelt wurden, und wirkt der Verwindung- bzw. der Verwerfung des jeweiligen Bauteils beim Wärmebehandlungsprozess entgegen. Diese Ansatzpunkte, im Folgenden auch Auflagestellen, werden vorteilhafterweise so gewählt, dass ihre Position am Bauteil dazu beiträgt, dass sich das Bauteil durch die Wärmebehandlung möglichst wenig verzieht.
Bei der Herstellung von hochfesten metallischen Bauteilen, insbesondere von armierten Fahrzeugteilen, werden zunächst die Metallrohlinge dreidimensional warmverformt und später in einem separaten Wärmebehandlungsprozess gehärtet. Das Wärmebehandeln von metallischen Bauteilen dient der Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung des Materialgefüges. Hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften werden insbesondere in der Fahrzeugarmierung gestellt, da die armierten Fahrzeugteile zum einen die erforderliche Härte und zum anderen die erforderliche Elastizität aufweisen müssen, um ein Eindringen des Projektils ins Fahrzeuginnere zu vermeiden.
Aus den beiden Forderungen nach Härte und Elastizität ergeben sich beim Wärmebehandlungsprozess Probleme hinsichtlich der Maßhaltigkeit der Bauteile. Besonders problematisch hinsichtlich eines Verzugs aufgrund Verwindung oder Verwerfung sind mehrlagige Werkstoffe, die beispielsweise eine duktile Schicht für die Elastizität, die Energiedissipation oder den Zusammenhalt des Werkstoffs und eine harte Panzerungsschicht aufweisen. Beschussfeste Mehrlagenstähle, beispielsweise Zweilagenstähle, sind bevorzugte Werkstoffe für deren Fixierung die Vorrichtung geeignet sein und verwendet werden soll. Beim Wärmebehandlungsprozess wird das Bauteil zunächst in einen definierten Temperaturbereich gebracht und anschließend in einer definierten Abkühlzeit abgeschreckt. Dadurch können die geforderten Materialeigenschaften der Bauteile erreicht werden. Im Wärmebehandlungsprozess treten Bauteilspannungen auf, die zur Verwindung des Bauteils führen. Eine hieraus resultierende unzureichende Maßhaltigkeit der Bauteile führt insbesondere bei der Fahrzeugendmontage zu erheblichen Problemen und erzeugt zusätzliche Kosten für die Nachbearbeitung dieser Bauteile. Um die Maßhaltigkeit des Bauteils zu gewährleisten, müssen Maßnahmen getroffen werden, die Verformungen durch den Wärmebehandlungsprozess entgegenwirken.
Fixiervorrichtungen, die das Bauteil vollflächig bzw. teilflächig umschließen und dadurch während des Härtevorgangs in der Sollposition fixieren, sind aus massivem Material gefräst und bilden einen negativen Abguss des Bauteils. Solche Fixiervorrichtungen sind von massiver Gestalt und ihr Gewicht übersteigt meist mehrfach das Gewicht des zu behandelnden Bauteils. Die Fixiervorrichtung muss beim Wärmebehandlungsprozess mit erhitzt werden, um keine ungleichmäßige Wärmeausdehnung zu erzeugen. Mit der Masse der Fixiervorrichtung steigen die Energiekosten für den Wärmeeintrag und auch der Aufwand für die Abkühlung.
In der DE 10 2004 023 045 A1 wird eine Fixiervorrichtung beschrieben, die das Bauteil während des Wärmebehandlungsprozess positioniert und fixiert. Mittels orthogonaler Blechverbindung mit nutenförmigen Ausnehmungen werden Bleche ineinander gesteckt und erzeugen dadurch eine Gitterstruktur, die Auflagestellen für die Bauteile bildet. Die Bauteile werden randseitig in der Auflagevorrichtung mit Profilschienen geklemmt. Die Bleche der Gitterstruktur sind in Knotenbereichen miteinander verschweißt. Die von der Gitterstruktur gebildeten Auflagestellen sind an die Form des bei der Wärmebehandlung zu fixierenden Bauteils angepasst. Um mit der bekannten Fixiervorrichtung das gewünschte Ergebnis zu erzielen, müssen die Auflagestellen der Geometrie des Bauteils angepasst positioniert und die Bleche entsprechend exakt gefertigt und zur Gitterstruktur gefügt werden. Ein durch die Wärmebehandlung bedingter Verzug des fixierten Bauteils ist dabei noch nicht berücksichtigt.
In der EP 1 672 085 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, in welcher ein Bauteil während einer Wärmebehandlung fixiert werden kann. Über Stützen wird das Bauteil während der Wärmebehandlung fixiert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache Fixiervorrichtung zu schaffen, mittels der ein Bauteil während einer Wärmebehandlung so fixiert werden kann, dass die Wärmebehandlung einen möglichst geringen Verzug des Bauteils bewirkt oder das Bauteil nach der Wärmebehandlung einer vorgegebenen Sollform entspricht.
Die Erfindung hat eine Fixiervorrichtung zum Gegenstand, die eine Basis, eine von der Basis abragende erste Stütze und wenigstens eine weitere, von der Basis abragende zweite Stütze aufweist. Die Stützen bilden Auflagestellen für ein Bauteil während einer Wärmebehandlung. So bildet die erste Stütze eine lokal begrenzte erste Auflage für das Bauteil, d. h. eine erste Auflagestelle, und die zweite Stütze bildet für das Bauteil eine zweite Auflagestelle, die von der ersten Auflagestelle beabstandet ist. Zwischen diesen wenigstens zwei Auflagestellen wird das Bauteil vorzugsweise nicht nochmals unterstützt, sondern überbrückt den Abstand zwischen den Auflagestellen frei tragend. Die Stützen werden von wärmebeständigen, vorzugsweise per Laserstrahl geschnittenen Formelementen, vorzugsweise Edelstahlelementen, gebildet.
Für die Fixierung umfasst die Vorrichtung ein erstes Fixierelement zum Fixieren des Bauteils an der ersten Auflagestelle und wenigstens ein weiteres, zweites Fixierelement zum Fixieren des Bauteils an der zweiten Auflagestelle. Die Fixierelemente sind vorzugsweise an der jeweils zugeordneten Stütze angeordnet, können grundsätzlich aber auch neben der jeweiligen Stütze oder auch an anderer Stelle an der Basis so abgestützt sein, dass mittels ihrer Hilfe das Bauteil an der jeweiligen Auflagestelle fixiert werden kann. Fixieren bedeutet nicht, dass sich das Bauteil bei der Wärmebehandlung relativ zur jeweiligen Auflagestelle in keinster Weise bewegen darf. Das Bauteil wird mittels der Fixierelemente aber jedenfalls so weit fixiert, dass es während der Wärmebehandlung im Kontakt mit den Auflagestellen oder Fixierelementen bleibt oder in Kontakt gelangt und dadurch einer temperaturbedingten Verformung oder weiteren Verformung entgegengewirkt wird. Das Wort ”oder” wird von der Erfindung stets im üblichen logischen Sinne als ”inklusiv oder” verstanden, umfasst also sowohl die Bedeutung von ”entweder... oder” als auch die Bedeutung von ”und”, soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang nicht ausschließlich nur eine eingeschränkte Bedeutung ergeben kann. Das Zusammenwirken von Auflagestelle und zugeordnetem Fixierelement kann daher derart sein, dass das Bauteil während der Wärmebehandlung nur mit der Auflagestelle oder nur mit dem der jeweiligen Auflagestelle zugeordneten Fixierelement in Kontakt bleibt oder gelangt oder, wie dies bevorzugt wird, während der Wärmebehandlung sowohl mit dem Fixierelement als auch der jeweils zugeordneten Auflagestelle in Kontakt ist, vorzugsweise zwischen Auflagestelle und Fixierelement jeweils in einem Führungskontakt mit der Auflagestelle oder dem zugeordneten Fixierelement mit geringem Spiel, bevorzugt in Passung, beweglich gehalten oder geklemmt wird.
Nach der Erfindung weisen die Basis und wenigstens die erste Stütze jeweils ein Verbindungselement für eine Verbindung auf, in der die erste Stütze relativ zu der Basis in unterschiedliche Einstellpositionen einstellbar und in der jeweils eingenommenen Einstellposition fixierbar ist, um die erste Auflagestelle relativ zu der Basis und insbesondere relativ zu der zweiten Auflagestelle verstellen zu können. Aufgrund der Verstellbarkeit kann die Vorrichtung in einem Iterationsprozess in Bezug auf die Positionen, die die Auflagestellen relativ zueinander aufweisen, mittels eines oder nacheinander mehrerer Bauteile justiert werden, um das gewünschte Ergebnis, ein trotz der Wärmebehandlung formtreues Bauteil, zu erhalten. Für die Wärmebehandlung einer Bauteilserie, d. h. mehrerer gleicher Bauteile, wird ein Bauteil nach dem anderen mittels der Vorrichtung bei der Wärmebehandlung fixiert und die Vorrichtung in einem einzigen oder wenigen Iterationsschritten von Bauteil zu Bauteil durch Nachjustieren optimiert. Die Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Verringerung eines durch Wärmebehandlung bedingten Verzugs von vor der Wärmebehandlung gleichen Bauteilen. Grundsätzlich kann das Verfahren, zu dessen Durchführung die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, dazu ausgelegt sein, durch die Wärmebehandlung überhaupt erst formgleiche Bauteile zu erzeugen, indem Formabweichungen, die allerdings ein gewisses Ausmaß nicht überschreiten dürfen, durch die Wärmebehandlung verringert und dadurch die Bauteile der Form nach einander angeglichen werden.
Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren, bei dem

(a) eines der Bauteile mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an den Auflagestellen mittels der Fixierelemente fixiert,
(b) das Bauteil im fixierten Zustand einer Wärmebehandlung unterzogen,
(c) nach der Wärmebehandlung von der Vorrichtung gelöst,
(d) seine Form vermessen
(e) und aus der Messung der Verzug des Bauteils ermittelt wird. Anschließend wird
(f) die Vorrichtung durch Verstellung wenigstens der ersten Stütze (10) in Abhängigkeit vom ermittelten Verzug justiert, um für die weiteren Bauteile der gleichen Art den Verzug durch die Wärmebehandlung zu verringern.

Die Schritte (a) bis (f) werden mit einem oder nacheinander mehreren weiteren der Bauteile wiederholt, bis der im Schritt (e) ermittelte Verzug innerhalb einer vorgegebenen Toleranz ist.
Wenn die optimale Einstellposition der ersten Auflagestelle, vorzugsweise auch der zweiten Auflagestelle und, soweit weitere verstellbare Auflagestellen vorhanden sind, auch für jede dieser weiteren Auflagestellen ermittelt worden ist, kann die erste Stütze und vorzugsweise auch jede weitere verstellbare Stütze dauerhaft fest mit der Basis gefügt werden. Die Erfindung hat daher in einer Weiterentwicklung ein Verfahren zum Gegenstand, bei dem diejenigen Stützen, die in unterschiedliche Einstellpositionen verstellbar sind, mit der Basis dauerhaft fest, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt werden, wenn der im Schritt (e) ermittelte Verzug innerhalb der Toleranz ist. Weitere der Bauteile werden mittels der im justierten Zustand dauerhaft fest gefügten Vorrichtung fixiert und im fixierten Zustand der Wärmebehandlung unterzogen. Die dauerhaft feste Verbindung der Stütze(n) ist vorzugsweise eine Stoffschlussverbindung, grundsätzlich kann es sich aber auch um eine andere Sicherungsverbindung, auch eine auf Form- und Reibschluss beruhende Verbindung, beispielsweise eine Schraubverbindung mit einer oder mehreren Sicherungsschraube(n) handeln, die sich nicht von selbst lösen kann oder können.
Die Anordnung der Auflagestellen kann insbesondere durch computerunterstützte Konstruktion (CAD) ermittelt werden. Dadurch kann die Position oder Neigung der Auflagestellen relativ zueinander, bezogen beispielsweise je einzeln auf die Basis, exakt definiert werden, um der Verwindungs- bzw. Verzugsaffinität des Bauteils beim Wärmebehandlungsprozess entgegenzuwirken. Die erfindungsgemäße Justierung wird dann an der nach CAD ausgelegten, gebauten Vorrichtung anhand realer Bauteile vorgenommen.
In den Unteransprüchen und deren Kombinationen werden weitere vorteilhafte Merkmale offenbart.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 eine Fixiervorrichtung in einer Seitenansicht,
2 die Fixiervorrichtung im Querschnitt A-A der 1,
3 einen Prototypen der Fixiervorrichtung in einer ersten Perspektive und
4 den Prototypen in einer zweiten Perspektive.
1 zeigt eine Fixiervorrichtung und ein Bauteil W, das zum Härten einer Wärmebehandlung unterzogen und während der Wärmebehandlung mittels der Fixiervorrichtung fixiert wird. Das Bauteil W ist eine Panzerungsstruktur für die Panzerung eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Personenkraftwagens. Das Bauteil W kann insbesondere zur Panzerung einer Fahrgastzelle solch eines Fahrzeugs dienen. Das Bauteil W besteht aus einem mehrlagigen Panzerstahl, beispielsweise einem Zweilagenstahl.
Die Fixiervorrichtung umfasst eine Basis 1, eine erste Stütze 10, eine zweite Stütze 20 und eine dritte Stütze 30 sowie Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5, mittels denen die Stützen 10, 20 und 30 unbeweglich fest mit der Basis 1 verbunden sind. Die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 werden im Folgenden vereinfachend zur Basis 1 gehörig angesehen. Sie sind mit der Basis 1 gefügt, beispielsweise wie dargestellt mittels Verbindungsschrauben 6 verschraubt. Statt Schraubverbindungen könnten die Basis 1 und die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 auch stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen miteinander gefügt sein. Die Stützen 10, 20 und 30 ragen von einer Oberseite der Basis 1 ab. Sie sind in Längsrichtung X voneinander beabstandet angeordnet. Beispielhaft ist für die Stützen 10 und 20 der in X-Richtung gemessene Abstand A eingetragen. Dieser Abstand A ist vielfach größer als eine ebenfalls in X-Richtung gemessene Dicke d der Stützen 10, 20 und 30.
Die Stützen 10, 20 und 30 und auch die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 sind aus Plattenmaterial geformt. Die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 sind Winkelprofile, beispielhaft wie bevorzugt gleicher Form und Größe. Sie weisen jeweils einen ersten Profilschenkel auf, mit dem sie auf die Oberseite der Basis 1 angesetzt sind, und einen dazu orthogonal weisenden zweiten Schenkel, der von der Oberseite der Basis 1 aufragt. Grundsätzlich könnten die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 auch anders geformt sein, insbesondere als Winkelprofile mit anders zueinander geneigten Profilschenkeln, gegebenenfalls auch als Winkelprofile, deren Profilschenkel unterschiedliche Neigungen zueinander aufweisen. Die Gleichheit der Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 ist jedoch insbesondere unter Kostengesichtspunkten vorteilhaft.
Die erste Stütze 10, die beispielhaft zwischen den beiden anderen Stützen 20 und 30 angeordnet ist, ist als einfache ebene Platte, beispielhaft wie bevorzugt als Rechteckplatte ausgeführt. Die beiden anderen Stützen 20 und 30 sind zweischenkelige Winkelprofile. Die Neigung, unter der die beiden Profilschenkel der Stütze 20 zueinander weisen, unterscheidet sich von der Neigung, unter der die beiden Profilschenkel der Stütze 30 zueinander weisen. Der Unterschied ist durch die Form des Bauteils W bedingt. Die Stützen 20 und 30 unterscheiden sich von der Stütze 10 nur durch die Abwinklung bzw. Neigung des jeweils von der Basis 1 aus gesehen äußeren Profilschenkels. Bei der Herstellung der Fixiervorrichtung werden die Stützen 10, 20 und 30 zunächst als gleiche Plattenteile gefertigt, indem sie in gleicher Größe aus einem Plattenhalbzeug mittels eines Trennverfahrens geformt werden, vorzugsweise mittels Laserstrahl. Sie werden nach dem Trennen und gegebenenfalls einer nachfolgenden Randbearbeitung durch einen Biegeprozess in die gezeigte Form eines weit geöffneten ”V” abgewinkelt, wobei das Abwinkeln so vorgenommen wird, dass an die Form des Bauteils W angepasst jeweils eine Auflagestelle für das Bauteil W erhalten wird. Das Bauteil W ist von der Basis 1 aus gesehen konkav, so dass die äußeren Profilschenkel der Stützen 20 und 30 von der jeweils benachbarten ersten Stütze 10 weg geneigt sind.
Die Auflagestelle der Stütze 10 ist mit 11 und die Auflagestellen der Stützen 20 und 30 sind mit 21 und 31 bezeichnet. Das Bauteil W ist nur an den Auflagestellen 11, 21 und 31 der Fixiervorrichtung abgestützt und erstreckt sich frei zwischen den jeweils nächstbenachbarten Auflagestellen, d. h. zwischen den Auflagestellen 11 und 21 einerseits und den Auflagestellen 11 und 31 andererseits. Die Auflagestellen 11, 21 und 31 bilden jeweils bezogen auf die Fläche des Bauteils W insgesamt bezogen lokale Auflagepunkte, wobei die Auflagestellen 11, 21 und 31 im engsten Sinne punktförmig, aber auch linienförmig oder flächig sein können, wobei die Auflagefläche im Vergleich zur Gesamtfläche des Bauteils W klein ist.
Die Stützen 10, 20 und 30 sind wie gesagt über die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 mit der Basis 1 fest verbunden. Die Verbindung mit der jeweils zugeordneten Verbindungsstruktur 3, 4 oder 5 ist allerdings so gestaltet, dass die Stützen 10, 21 und 31 relativ zu der Basis 1 und relativ zueinander jeweils einzeln in unterschiedliche Einstellpositionen einstellbar und in der jeweiligen Einstellposition fixierbar sind. Hierfür sind die Stützen 10, 20 und 30 jeweils mit wenigstens einem Verbindungselement 8 und die aufragenden Profilschenkel der Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 jeweils mit wenigstens einem Verbindungselement 7 versehen, die eine Höhenverstellbarkeit der Stützen 10, 20 und 30 ermöglichen. Die Verbindungselemente 7 sind Durchgänge in der jeweiligen Verbindungsstruktur 3, 4 und 5. Die Verbindungselemente 8 sind in den Stützen 10, 20 und 30 geformte Durchgänge. Im Ausführungsbeispiel sind die Verbindungselemente 7 einfache Durchgangslöcher und die Verbindungselemente 8 in Verstellrichtung Z, der Höhenrichtung, erstreckte Langlöcher. Die Verbindungselemente 7 könnten ebenfalls als in Z-Richtung erstreckte Langlöcher geformt sein. Ferner könnten bei Formung der Verbindungselemente 7 als Langlöcher die Verbindungselemente 8 als einfache runde Durchgangslöcher geformt sein. Die Verbindung, in der jede der Stützen 10, 20 und 30 mit der jeweils zugeordneten Verbindungsstruktur 3, 4 und 5 höhenverstellbar verbunden ist, umfasst ferner Spannelemente 9 in Form jeweils einer Schraube und einer Mutter. Die Mutter kann jeweils als Zusatzteil bereit gestellt sein. Bevorzugter sind entweder die Stützen 10, 20 und 30 oder die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 mit einem Innengewinde für das jeweilige Spannelement 9 versehen, so dass sie Schraubmuttern als integrierte Verbindungselemente bilden.
2 zeigt die Fixiervorrichtung im Schnitt A-A ohne das Bauteil W. 2 zeigt die Verbindungsstruktur 3 und die Stütze 10 beispielhaft für die weiteren Verbindungsstrukturen 4 und 5 und Stützen 20 und 30. Die Ausführungen zur Stütze 10 gelten daher gleichermaßen auch für die Stützen 20 und 30, wobei diese wie bereits erwähnt im Unterschied zur Stütze 10 abgewinkelt sind.
Die Stütze 10 weist in Querrichtung Y nebeneinander zwei jeweils als Langloch geformte Verbindungselement 8 auf. Die Verbindungsstruktur 3 weist entsprechend zwei Verbindungselemente 7 in Form integrierter Schraubmuttern auf. Anstatt die Verbindungselemente 7 als integrierte Schraubmuttern zu bilden, können die Verbindungselemente 7 auch als Schraubbolzen gebildet sein. Entsprechend wären zusätzlich Mutter zur Herstellung der festen Klemmverbindung erforderlich. Die integrierten Mutter oder Schraubbolzen könnten auch auf der Seite der Stützen 10, 20 und 30 vorgesehen sein und deren Verbindungselemente 8 ersetzen. Entsprechend wären in solch einer Abwandlung die Verbindungselemente 7 Durchgänge entsprechend den Durchgängen bzw. Verbindungselementen 8 des Ausführungsbeispiels. Die pro Stütze beiden Paare von Verbindungselementen 7 und 8 bilden zusammen mit dem jeweiligen Spannelement 9 jeweils eine Punktverbindung, zusammen bilden sie eine Zweipunktverbindung für die translatorische Höhenverstellbarkeit der Auflagestelle 11.
Vorzugsweise sind die beiden Verbindungen 7, 8, 9 so gestaltet, dass zusätzlich zu der translatorischen Verstellbarkeit auch noch eine rotatorische Verstellbarkeit in engen Grenzen möglich ist, nämlich eine begrenzte Rotation der Stütze 10 relativ zur Verbindungsstruktur 3. Für die Rotationsverstellbarkeit kann beispielsweise eines der Verbindungselemente 8 in Querrichtung Y geringfügig breiter sein als es einer Passung mit dem Spannelement 9 entsprechen würde. Das andere Verbindungselement 8 kann in Y-Richtung auf Passung mit dem durchragenden Spannelement 9 bemessen sein oder ebenfalls ein geringes Übermaß aufweisen. Auf diese Weise kann die Auflagestelle 11 nicht nur in Höhenrichtung Z, sondern auch zusätzlich ihre Neigung in der Y-Z-Ebene verstellt werden, nämlich durch Rotation um eine in Längsrichtung X weisende Langsachse, die sich durch das im Vergleich mit dem Spannelement 9 breitere Verbindungselement 8 erstreckt.
Im Ergebnis wird eine durch die erfindungsgemäße Justierung flexibel in mehreren Freiheitsgraden an dreidimensional geformte Bauteile W anpassbare Fixiervorrichtung geschaffen. Ein erster Freiheitsgrad der Verstellbarkeit ist ein translatorischer in Höhenrichtung, die Verstellrichtung Z. Ein zweiter Freiheitsgrad der Verstellbarkeit ist ein rotatorischer, nämlich die Verdrehbarkeit der Stützen 10, 20 und 30 jeweils relativ zur Basis 1, genauer gesagt zur jeweils zugeordneten Verbindungsstruktur 3, 4 und 5, um jeweils eine zur Längsrichtung X parallele Rotationsachse, wobei der rotatorische Freiheitsgrad der Verstellbarkeit vorteilhafterweise mittels bzw. in der gleichen Verbindung 7, 8, 9 erhalten wird, die auch den translatorischen Freiheitsgrad der Verstellbarkeit liefert. Indem eine oder mehrere der Stützen, im Ausführungsbeispiel die Stützen 20 und 30 einen in Bezug auf jeweils ihre eigene Verstellrichtung Z geneigten Schenkel aufweisen, nämlich jeweils als Winkelprofil geformt sind, ist die Fixiervorrichtung auch an zur Basis 1 konkave oder gegebenenfalls auch konvexe Formen von Bauteilen W optimal angepasst, so dass die in der X-Z-Ebene geneigten Profilschenkel der betreffenden Stützen, beispielhaft der Stützen 20 und 30, am Ort der jeweiligen Auflagestelle, beispielhaft der Auflagestellen 21 und 31, orthogonal zum Bauteil W weisen. Mittels der abgewinkelten Stützen wird auch Flexibilität im Hinblick auf die Anpassbarkeit der Fixiervorrichtung an unterschiedlich gekrümmte Bauteile W erhalten. Soll von einem Bauteiltyp auf einen anderen mit andersartigem Verlauf gewechselt werden, müssen lediglich die abgewinkelten Stützen oder ein Teil dieser Stützen gegen andere, an den jeweiligen Bauteiltyp angepasste Stützen ausgetauscht werden. Es können somit flexibel mit der gleichen Basis 1 und einem Sortiment von Stützen 10, 20 und 30 an unterschiedlich Bauteiltypen angepasste Fixiervorrichtungen auf einfache und preiswerte Weise geschaffen werden.
Zur Verstellung ist noch nachzutragen, dass die Stützen 10, 20 und 30 jeweils im Klemmkontakt mit der zugeordneten Verbindungsstruktur 3, 4 oder 5 verstellt werden, wobei die Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5 jeweils eine Führungsfläche 3a, 4a oder 5a für die zugeordnete Stütze 10, 20 oder 30 bildet. Für die Verstellung wird der jeweilige Klemmkontakt nur geringfügig gelöst, die Stütze 10, 20 oder 30 im gelockerten, aber grundsätzlich noch bestehenden Klemmkontakt mit der jeweils zugeordneten Führungsfläche 3a, 4a oder 5a der Höhe nach in Verstellrichtung Z oder der Kipprichtung nach um eine Längsachse X verstellt und in der neuen Einstellposition durch Erhöhung der Klemmkraft in den jeweils zwei Verbindungen 7, 8, 9 wieder lösbar fixiert.
Die Auflagestellen 11, 21 und 31 sind an den abgewandten Enden der Stützen 10, 20 und 30 jeweils in einer Aussparung 12 der Stütze 10, 20 oder 30 gebildet. Das zu behandelnde Bauteil W wird in die Aussparungen 12 eingelegt, so dass es an den Auflagestellen 11, 21 und 31 aufliegt. Anschließend wird das Bauteil W an den Auflagestellen 11, 21 und 31 mittels Fixierelementen 15 fixiert, wobei das Bauteil W an den Auflagestellen 11, 21 und 31 im fixierten Zustand vorzugsweise nicht unbeweglich fest geklemmt, sondern in enger Passung in der jeweiligen Aussparung 12 in seiner lokalen Längsrichtung beweglich geführt ist.
Die Stützen 10, 20 und 30 weisen links und rechts ihrer Aussparung 12 jeweils ein Fixiergegenelement 17 für jeweils eines der Fixierelemente 15 auf. Beispielhaft sind die Fixierelemente 15 als Schrauben und die Fixiergegenelemente 17 als zur jeweiligen Stütze 10, 20 oder 30 nicht bewegliche Mutter geformt. Zusätzlich ist für jedes der Fixierelemente 15 ein weiteres Fixierelement 16 vorgesehen. Die Fixierelemente 16 sind beispielhaft als Anlagescheiben gebildet, über die die Fixierelemente 15 bei fixiertem Bauteil W gegen die Fixiergegenelemente 17 drücken. Das Bauteil W ist im fixierten Zustand somit zwischen den Fixierelementen 16 und der jeweiligen Auflagestelle 11, 21 und 31 fixiert, vorzugsweise in enger Passung im so gebildeten Spalt beweglich geführt. Die Fixierelemente 16 sind vorzugsweise separate Zwischenelemente, die beim Einschrauben und Festziehen der Fixierelemente 15 dafür sorgen, dass der Schraubkopf der Fixierelemente 15 nicht auf den Fixiergegenelementen 17 reibt. Anstatt für jedes der Fixierelemente 15 ein eigenes Fixierelement 16 vorzusehen, könnte auch ein die Aussparung 12 überbrückendes, für beide Fixierelemente 15 der jeweiligen Stütze 10, 20 oder 30 gemeinsames Fixierelement 16 als Zwischenelement verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch pro Fixierelement 15 jeweils ein eigenes Fixierelement 16 verwendet, wobei über die jeweilige Aussparung 12 hinweg vorteilhafterweise ein Abstand zwischen dem linken und dem rechten Fixierelement 16 verbleibt.
Die Verstellbarkeit der Fixiervorrichtung wird in der Serienproduktion nur beim Anlaufen der Produktion benötigt, um nämlich die Fixiervorrichtung an wenigen Bauteilen W sukzessive zu justieren, von Bauteil W zu Bauteil W. So wird beim Anlaufen noch vor oder zu Beginn der Serienproduktion ein erstes der typgleichen Bauteile W auf die Auflagestellen 11, 21 und 31 gelegt, mittels der Fixierelemente 15 fixiert und anschließend im fixierten Zustand der Wärmebehandlung unterzogen, beispielsweise gehärtet oder ausgelagert. Die Wärmebehandlung wird vorteilhafterweise in einem Wärmeofen durchgeführt, in den vorteilhafterweise chargenweise eine Mehrzahl der Fixiervorrichtungen samt der von ihnen fixierten Bauteile W eingebracht werden. Nach der Wärmebehandlung wird das Bauteil W aus der Fixiervorrichtung genommen und auf Maßhaltigkeit vermessen. Ergibt die Vermessung eine Abweichung von der Sollform, d. h. von den Vergleichs-Sollmaßen oder dem gegebenenfalls nur einen einzigen Vergleichs-Sollmaß, die außerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, wird die Fixiervorrichtung justiert. Die Justierung besteht darin, dass eine oder mehrere der Stützen 10, 20 und 30 in Abhängigkeit von der oder den gemessenen Abweichung(en) in eine neue, angepasste Einstellposition verstellt wird oder werden, indem die betreffende(n) Stütze(n) 10, 20 oder 30 in Verstellrichtung Z translatorisch oder um eine zur Längsrichtung X parallele Rotationsachse rotatorisch in ihrer Verbindung 7, 8, 9 verstellt wird. Das Gleiche geschieht mit den optional weiteren Fixiervorrichtungen der gleichen Charge.
Im nächsten Schritt der Iteration wird in die justierte Fixiervorrichtung ein neues, typgleiches Bauteil W eingelegt und fixiert. Anschließend wird das Bauteil W wie zuvor beschrieben wärmebehandelt, nach der Wärmebehandlung aus der Fixiervorrichtung genommen und ebenfalls vermessen. Ergibt die Vermessung des in Bezug auf die justierte Fixiervorrichtung zweite Bauteil, dass auch dieses der Form nach von einem oder mehreren Vergleichs-Sollmaß(en) über die Toleranz hinaus abweicht, wird die Fixiervorrichtung nochmals justiert, wie zum ersten Schritt bereits geschildert. Das Gleiche geschieht mit den optional weiteren im ersten Schritt bereits einmal justierten Fixiervorrichtungen und weiteren Bauteilen W.
Ergibt sich, dass unmittelbar am ersten Bauteil oder nach einem einzigen oder mehreren Justierschritt(en) der geschilderten Art die Maßhaltigkeit gewährleistet ist, was beispielsweise an mehreren Bauteilen W nacheinander verifiziert werden kann, wird die Fixiervorrichtung in sich bleibend fixiert, indem ihre verstellbaren Stützen 10, 20 und 30 mit der Basis 1, nämlich den zugeordneten Verbindungsstrukturen 3, 4 und 5, dauerhaft fest verbunden werden. Für die feste, vorzugsweise zerstörungsfrei nicht wieder lösbare Verbindung wird eine Schweißverbindung bevorzugt. Im Ausführungsbeispiel werden die Stützen 10, 20 und 30 jeweils mittels einer Sicherungsverbindung 14, beispielhaft wie bevorzugt eine Schweißverbindung, mit der jeweils zugeordneten Verbindungsstruktur 3, 4 oder 5 fest gefügt. Als Sicherungsverbindung käme alternativ auch in Frage, jedes der Spannelemente 9 oder zumindest ein Spannelement 9 pro Stütze 10, 20 und 30 mittels eines Sicherungselements zu sichern, das ein Lösen des gesicherten Spannelements 9 unter allen im Betrieb auftretenden Belastungen sicher verhindert. Einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere Schweißverbindung 14, wird jedoch der Vorzug gegeben. Die dauerhaft fest gefügte Fixiervorrichtung wird anschließend in der Serie vielmals wiederholt verwendet, um das jeweils zu behandelnde Bauteil W während der Wärmebehandlung zu fixieren, so dass dessen Maßhaltigkeit gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste

1: Basis
2: Versteifungsgurt
3: Verbindungsstruktur
3a: Führungsfläche
4: Verbindungsstruktur
4a: Führungsfläche
5: Verbindungsstruktur
5a: Führungsfläche
6: Verbindungsmittel
7: Verbindungselement der Basis
8: Verbindungselement der Stütze
9: Verbindungselement, Spannelement
10: Stütze
11: Auflagestelle
12: Aussparung
13
14: Sicherungsverbindung
15: Fixierelement
16: Fixierelement
17: Fixiergegenelement
18
19
20: Stütze
21: Auflagestelle
22–29
30: Stütze
31: Auflagestelle
A: Abstand
d: Dicke
X: Längsrichtung
Y: Querrichtung
Z: Höhenrichtung

Claims

Vorrichtung zum Fixieren eines Bauteils (W) während einer Wärmebehandlung, die Vorrichtung umfassend: a) eine Basis (1), b) eine von der Basis (1) abragende erste Stütze (10), die eine erste Auflagestelle (11) für das Bauteil (W) bildet, c) eine von der Basis (1) abragende zweite Stütze (20), die in einer Längsrichtung (X) der Vorrichtung in einem Abstand (A) von der ersten Auflagestelle (11) eine zweite Auflagestelle (21) für das Bauteil (W) bildet, d) ein erstes Fixierelement (15) zum Fixieren des Bauteils (W) an der ersten Auflagestelle (11), e) ein zweites Fixierelement (15) zum Fixieren des Bauteils (W) an der zweiten Auflagestelle (21), f) wobei die Basis (1) und wenigstens die erste Stütze (10) jeweils ein Verbindungselement (7, 8) für eine Verbindung (7, 8, 9) aufweisen, in der die erste Stütze (10) relativ zu der Basis (1) in unterschiedliche Einstellpositionen einstellbar und in der jeweils eingenommenen Einstellposition fixierbar ist, um die erste Auflagestelle (11) relativ zu der zweiten Auflagestelle (21) verstellen zu können.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (7, 8, 9) eine translatorische Verstellung der ersten Stütze (10) ermöglicht, vorzugsweise in Richtung (Z) des Abragens von der Basis (1).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (7, 8, 9) eine rotatorische Verstellung der ersten Stütze (10) ermöglicht, vorzugsweise um eine Rotationsachse, die sich parallel zur Längsrichtung (X) erstreckt oder orthogonal zu einer Richtung (Z) einer translatorischen Verstellbarkeit der ersten Stütze (10) weist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stütze (10) an einer von der Basis (1) abragenden Verbindungsstruktur (5) verstellbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stütze (10) relativ zu der Basis (1) in Richtung der Verstellbarkeit geführt ist, vorzugsweise in einem Flächenkontakt mit einer Führungsfläche (3a).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (7, 8, 9) eine Mehrpunktverbindung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (7, 8, 9) einen Kraftschluss umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (7, 8, 9) eine Klemmverbindung, vorzugsweise Schraubverbindung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7, 8) der Basis (1) oder der ersten Stütze (10) als Durchgang, vorzugsweise Langloch, für ein Spannelement (9) der Verbindung (7, 8, 9) geformt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (1) und die erste Stütze (10) jeweils mehrere Verbindungselemente (7, 8) aufweisen, die einander paarweise für die Fixierung der ersten Stütze (10) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einer Kombination der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Durchgang gebildete Verbindungselement (8) in einer quer zur Längsrichtung (X) weisenden ersten Querrichtung (Z) länger und in einer quer zur Längsrichtung (X) und zur ersten Querrichtung (Z) weisenden zweiten Querrichtung (Y) breiter als eine in die jeweilige Querrichtung (Y, Z) weisende Erstreckung des Spannelements (9) ist, so dass die erste Stütze (10) um eine Längsachse des Spannelements (9), in der die Stütze (10) mittels des Spannelements (9) geklemmt wird, rotatorisch relativ zu der Basis (1) verstellt und dadurch eine Neigung der ersten Auflagestelle (11) in einer die beiden Querrichtungen (Y, Z) enthaltenden Ebene verstellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fixierelement (15) mit der ersten Stütze (10) in einem verstellbaren Eingriff ist, so dass das Bauteil (W) mittels des ersten Fixierelements (15) gegen die erste Auflagestelle (11) spannbar ist, vorzugsweise mit einem engen Passungsspiel.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stütze (10) ein erstes Fixiergegenelement (17) für das erste Fixierelement (15) und die zweite Stütze (20) ein zweites Fixiergegenelement (17) für das zweite Fixierelement (15) aufweisen und die Fixierelemente (15) mit dem jeweils zugeordneten Fixiergegenelement (17) lösbar verbunden, vorzugsweise verschraubt werden können, um das Bauteil (W) an der jeweiligen Auflagestelle (11, 21) zu halten, vorzugsweise in einem Klemmkontakt, der eine Gleibewegung des Bauteils (W) relativ zur jeweiligen Auflagestelle (11, 21) ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einer der Stützen (10, 20) deren Auflagestelle (11, 21) an einem von der Basis (1) abgewandten Ende in einer von der Basis (1) abgewandt offenen Aussparung (12) der wenigstens einen der Stützen (10, 20) gebildet ist, so dass das Bauteil (W) in die Aussparung (12) ein- und an die betreffende Auflagestelle (11, 21) anlegbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend a) eine von der Basis (1) abragende dritte Stütze (30), die in einem Abstand von der ersten Auflagestelle (11) und der zweiten Auflagestelle (21) eine dritte Auflagestelle (31) für das Bauteil (W) bildet, b) und ein drittes Fixierelement (15) zum Fixieren des Bauteils (W) an der dritten Auflagestelle (31), c) wobei die Stützen (10, 20, 30) vorzugsweise auf einer geraden Linie nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Stützen (10, 20, 30) eine ebene Platte oder aus einer Platte gebogen oder ein plattenförmiges Winkelprofil mit vorzugsweise nur zwei Profilschenkeln ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (10, 20, 30) von der Basis (1) aus gesehen in Richtung auf ihre Auflagestelle (11, 21, 31) voneinander weg weisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (10, 20, 30) voneinander jeweils paarweise einem Abstand (A) aufweisen, der vielfach größer ist als eine in Richtung (X) des jeweiligen Abstands (A) gemessene Dicke (d) von jeder der Stützen (10, 20, 30).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stütze (20), vorzugsweise auch die dritte Stütze (30) nach Anspruch 15, wenigstens ein Verbindungselement (8) für eine Verbindung (7, 8, 9) aufweist, in der die zweite Stütze (20), vorzugsweise auch die dritte Stütze (30), relativ zu der Basis (1) in unterschiedliche Einstellpositionen einstellbar und in der jeweils eingenommenen Einstellposition fixierbar ist, um die zweite Auflagestelle (21), vorzugsweise auch die dritte Auflagestelle (31) nach Anspruch 15, relativ zu der ersten Auflagestelle (11) verstellen zu können.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Ansprüche 2 bis 18 auch in Bezug auf die zweite Stütze (20), vorzugsweise auch in Bezug auf die dritte Stütze (30), zutrifft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Fixierung eines beschussfesten Bauteils (W), vorzugsweise eines mehrlagigen Bauteils (W), während der Wärmebehandlung des Bauteils (W) verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stütze (10), und falls mehrere der Stützen (10, 20, 30) wie die erste Stütze (10) verstellbar sind, bevorzugt mehrere oder jede der verstellbaren Stützen (10, 20, 30), in einer der Einstellpositionen mittels einer auf Stoffschluss beruhenden Verbindung (14), vorzugsweise Schweißverbindung, oder einer Sicherungsverbindung anderer Art dauerhaft fest mit der Basis (1) verbunden ist.
Verfahren zur Verringerung eines durch Wärmebehandlung bedingten Verzugs von vor der Wärmebehandlung gleichen Bauteilen (W), bei dem a) eines der Bauteile (W) mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 an den Auflagestellen (11, 21, 31) mittels der Fixierelemente (15) fixiert, b) das Bauteil (W) im fixierten Zustand einer Wärmebehandlung unterzogen, c) nach der Wärmebehandlung von der Vorrichtung gelöst, d) seine Form vermessen, e) und aus der Messung der Verzug des Bauteils (W) ermittelt wird, f) die Vorrichtung durch Verstellung wenigstens der ersten Stütze (10) justiert wird, um für die weiteren Bauteilen (W) den Verzug durch die Wärmebehandlung zu verringern, g) und die Schritte (a) bis (f) mit einem oder nacheinander mehreren weiteren der Bauteile (W) wiederholt werden, bis der im Schritt (e) ermittelte Verzug innerhalb einer vorgegebenen Toleranz ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem (h) die erste Stütze (10), vorzugsweise alle diejenigen Stützen (10, 20, 30), die in unterschiedliche Einstellpositionen verstellbar sind, mit der Basis (1) dauerhaft fest, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt wird oder werden, wenn der im Schritt (e) ermittelte Verzug innerhalb der Toleranz ist, und (i) weitere der Bauteile (W) mittels der Vorrichtung fixiert und im fixierten Zustand der Wärmebehandlung unterzogen werden.