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Die Erfindung betrifft einen Turmofen zum Erhitzen von härtbaren Blechplatinen, insbesondere von Kfz-Karosserieteilen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Durch die
DE 10 2006 020 781 B3 ist ein Etagenofen oder Turmofen bekannt, der in mehrere, übereinander angeordnete Kammern aufgeteilt ist, die nach Art von Schubladen herausfahrbar und mit den Blechplatinen beschickbar sind. Die Blechplatinen werden dabei homogen bzw. durchgehend auf eine Temperatur beheizt, die zum Eindiffundieren einer Beschichtung zum Beispiel oberhalb Ac
3 liegt.
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Insbesondere für tragende Karosseriebauteile von Kraftfahrzeugen wurde auch schon vorgeschlagen (
DE 200 14 361 U1 ), deren Blechplatinen aus härtbarem Stahl (zum Beispiel 22MnB5) partiell auf Temperaturen oberhalb Ac
3 zu erhitzen, während andere Bereiche auf niedrigere Temperaturen eingestellt werden. Sodann wird die Blechplatine in einer Tiefziehpresse verformt und zugleich abgeschreckt, wobei die höher erhitzten Bereiche ein martensitisches, hartes Gefüge und die anderen Bereiche ein ferritisch-perlitisches Gefüge höherer Duktilität aufweisen. Die ungleiche Temperaturverteilung der Blechplatine soll in einem nicht näher beschriebenen Ofen erfolgen, in dem großflächige Bereiche der Platine gegen die Temperatureinwirkung isoliert werden.
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Aus der
DE 878 949 A ist ein Durchziehofen mit Schutzgasatmosphäre zum Warmbehandeln von Bändern und Drähten mit einer Glüh- und Kühlzone bekannt, bei der der Behandlungsraum als Turmofen ausgebildet ist, in dem in Reihen übereinander und gegebenenfalls versetzt zueinander als Gutsträger angetriebene Walzen gelagert sind, die beheizt bzw. gekühlt sind. Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der
DE 27 29 931 C3 bekannt, bei der mehrere mit Hilfe von Heizrohren beheizbare Teilkammern zusätzlich zu einer Aufheizzone bekannt sind. Im Bereich der Teilkammern können über verlagerbare Umlenkrollen Bandbereiche in ein kühlendes Salzbad eingetaucht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einem Turmofen der gattungsgemäßen Art diesen derart weiterzubilden, dass bei einer baulich einfachen, robusten und prozessgünstigen Konstruktion gezielte Temperaturschichtungen an der Blechplatine einstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Erfindungsgemäß wird ein Turm- oder Etagenofen zum Erhitzen von härtbaren Blechplatinen, insbesondere von Karosserieteilen, die nachfolgend einem Umformprozess in einer Presse unterzogen werden, vorgeschlagen, wobei in dem Ofen mehrere beheizbare Ofenkammern in Hochachsenrichtung etagenartig übereinander angeordnet und mittels zumindest einer Tür, Klappe oder dergleichen verschließbar sind. Erfindungsgemäß ist in zumindest einer der Ofenkammern wenigstens ein definierter Kühlbereich ausgebildet, in und/oder an dem ein diesem zugeordneter, kühl zu haltender Blechplatinenbereich während einer Ofenkammererhitzung auf einer gegenüber einem ungekühlten Blechplatinenbereich niedrigeren Temperatur haltbar ist.
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Die Blechplatinen werden somit in ein und derselben Ofenkammer auf unterschiedliche Temperaturniveaus gebracht, bzw. auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gehalten, so dass damit insbesondere in Verbindung mit einem nachfolgenden Umformprozess auf einfache Weise die gewünschten mechanischen Eigenschaften (weich/hart) eingestellt werden können. Dies kann vorteilhaft in einem Turmofen erfolgen, wo mehrere derartiger Ofenkammern etagenartig übereinander angeordnet sind, wodurch der regelmäßig vorhandene Bauraum in Hochachsenrichtung ausgenutzt wird und Bauraum im Bodenbereich bzw. in einer Quer- bzw. Längsrichtung eingespart werden kann.
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Die in die jeweiligen Ofenkammern eingelegten Blechplatinen werden dort stationär gehalten und nicht bewegt, so dass der Aufbau der Ofenkammern insgesamt einfach gehalten werden kann.
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Der wenigstens eine definierte Kühlbereich kann durch wenigstens eine in die Ofenkammer integrierte und von dieser räumlich abgetrennte, insbesondere durch wenigstens eine Trennwand abgetrennte Kühlkammer gebildet sein, in die der kühlzuhaltende Blechplatinenbereich einragt. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine Ausgestaltung, bei der in einer Kühlkammer-Trennwand eine Ausnehmung ausgebildet ist, durch die hindurch der kühl zu haltende Blechplatinenbereich in die Kühlkammer einragt. Eine derartige Ausnehmung ist bevorzugt so ausgebildet, zum Beispiel schlitzartig ausgebildet, dass die Ausnehmung die Blechplatine im Ausnehmungsbereich im Wesentlichen formschlüssig bzw. konturangepasst sowie gegebenenfalls mit einem Spaltabstand umgibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine definierte Kühlbereich wenigstens ein Kühlelement, insbesondere wenigstens eine Kühlplatte, aufweist, dem der kühl zu haltende Blechplatinenbereich zugeordnet ist. Die Zuordnung erfolgt dabei bevorzugt so, dass der kühlzuhaltende Blechplatinenbereich dort in einer Anlageverbindung anliegt. Eine derartige Anordnung von wenigstens einem Kühlelement in einer Ofenkammer ergibt einen besonders kompakten Aufbau einer Ofenkammer, wodurch sich zudem das Aufheizen bzw. Kühlhalten der jeweiligen Blechplatinenbereich auf besonders funktionssichere und einfache Weise umsetzen lässt. In Verbindung mit einem derartigen Kühlelement ist zudem ein Aufbau denkbar, bei dem das wenigstens eine Kühlelement nach Anspruch 4 in einer Kühlkammer nach einem der Ansprüche 2 oder 3 angeordnet ist. Mit einem solchen Aufbau ergeben sich besonders klar abgegrenzte Kühlbereiche innerhalb einer Ofenkammer, so dass ein sicheres Kühlhalten bzw. Abkühlen der kühlzuhaltenden Blechplatinenbereiche sichergestellt werden kann.
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Besonders bevorzugt sind in der Ofenkammer oder in der Kühlkammer obere und untere Kühlplatten vorgesehen, die die Blechplatine zwischen sich mit einem definierten Anpressdruck einspannen und diese dementsprechend wirkungsvoll von der Beheizung der übrigen Bereiche thermisch entkoppeln. Die Beheizung kann mittels der nachfolgend noch näher beschriebenen, die Blechplatine in der Ofenkammer haltenden Stützen und/oder mittels Gasdüsen und/oder elektrischen Heizstäben, etc. erfolgen.
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Dabei kann des Weiteren wenigstens eine der einander zugewandten Kühlplatten in der jeweiligen Kammer höhenverstellbar angeordnet sein, wodurch in einfacher Weise beim Ein- und Ausfahren der Blechplatinen deren Freigang sichergestellt ist. Insbesondere können die jeweils oberen Kühlplatten höhenverstellbar und die unteren Kühlplatten kammerfest ausgebildet sein.
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In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die verstellbaren Kühlplatten getrennt voneinander bzw. einzeln steuerbar sein, um so eine ständige, durchgängige Beschickung der Kammern bereitzustellen. Dabei kann eine entsprechende Temperaturüberwachung der beheizten Bereiche der Blechplatinen erfolgen, die prozesstechnisch mit der Heizungssteuerung, der Ofentürensteuerung und der Steuerung einer Beschickungseinrichtung kombiniert sein kann.
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Insbesondere aus Energieeffizienzgründen ist es dazu vorteilhaft, wenn je Kammer eine Türe vorgesehen ist, wobei die Türsteuerung mit der Steuerung der beweglichen Kühlplatten gekoppelt ist. Mit dem Öffnen einer der Türen der Kammern werden auch die Kühlplatten hochgefahren und die Blechplatinen demzufolge frei zugänglich, so dass ein schneller Wechsel der Blechplatine über die Beschickungseinrichtung vom Turmofen zum Umformwerkzeug, zum Beispiel einer Tiefziehpresse, erfolgen kann.
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Die in den Kammern angeordneten Stützen für die Blechplatinen können bevorzugt durch nach oben frei abragende, punktuell stützende Trägerbalken gebildet sein, die nur eine geringe Wärmeableitung in die Trägerbalken gewährleisten. Alternativ können die in den Kammern angeordneten Stützen für die Blechplatinen durch nach oben abragende, linienförmig stützende und/oder parallel zueinander ausgerichtete Tragwände gebildet sein.
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Des Weiteren können die Kühlplatten wenigstens einen integrierten Kühlkanal aufweisen, insbesondere zum definierten Kühlen der kontaktierten Bereiche der Blechplatinen, die in noch stärkerem Maße eine Abkühlung der unbeheizten Bereiche der Blechplatinen auf ein gezieltes Temperaturniveau ermöglichen. Die Kühlkanäle können mit Kühlluft, Kühlwasser, etc. beaufschlagt sein.
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Bei bis oberhalb Ac3 einzustellenden Temperaturen der Blechplatinen wird ferner vorgeschlagen, dass die Tragbalken bzw. Tragwände und/oder die Kühlplatten aus einer hochtemperaturbeständigen Siliziumkeramik (SiC) hergestellt sind, um dauerhaft den im Turmofen auftretenden Temperaturbelastungen standzuhalten und geringe Wärmeübergänge in das Gehäuse des Turmofens herzustellen.
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Zum Beschicken der Ofenkammer mit einer Blechplatine ist eine Beschickungsvorrichtung vorgesehen, mittels der die Blechplatinen bei geöffneter Türe in die Kammer eingelegt, an den definierten Bereichen erhitzt und bei erreichter, eingestellter Temperaturschichtung wieder entnommen werden können. Ein- oder Ausfahren von Schubladen etc. oder die Anordnung von Transportrollen oder dergleichen ist somit hier vorteilhaft nicht erforderlich.
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Die Blechplatinen aus hochlegiertem Vergütungsstahl können bevorzugt in den Kammern auf eine Temperatur von ca. 920 bis 950°C (Austenitisierungstemperatur) aufheizbar und in den gekühlten oder separierten Bereichen auf eine Temperatur von ca. 700°C oder darunter haltbar sein.
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Ferner kann zumindest eine weitere Kammer vorgesehen sein, in der nur Tragbalken, jedoch keine Kühlplatten vorgesehen sind und in der in an sich bekannter Weise durch homogene Erwärmung auf ca. 930°C eine auf die Blechplatine aufgebrachte Beschichtung (zum Beispiel AlSi) eindiffundierbar ist. Der Turmofen kann somit eine kombinierte Bearbeitung mit Eindiffundieren einer Beschichtung der Blechplatine und anschließendem Wechsel der Kammern und partielles Vergüten (Härten) von Bereichen der Blechplatine durch entsprechende Temperaturschichtung ermöglichen.
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Insbesondere dazu können mehrere Reihen von übereinander angeordneten Kammern zu einem Turmofen zusammengebaut sein, mit dem beide Prozessabläufe bei einer einheitlichen Anordnung einer Beschickungseinrichtung und einer einheitlichen Prozesssteuerung durchführbar sind.
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Damit ergeben sich die zuvor bereits genannten Vorteile.
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Für den Fall von beschichteten Blechplatinen wird vorgeschlagen, dass die Blechplatinen vor deren Zuführung in eine der Ofenkammern in eine Beschichtungskammer eingebracht werden, in der die mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer AlSi-Beschichtung versehenen Blechplatinen auf eine solche Temperatur, insbesondere auf eine Austenitisierungstemperatur, erwärmt werden, das die Beschichtung in die jeweilige Blechplatine eindiffundiert. Anschließend werden die Blechplatinen nach einer vorgegebenen Diffusionszeit aus der Beschichtungskammer entnommen und im erhitzten Zustand zur partiellen Vergütung in eine der Ofenkammern eingebracht, wo wenigstens ein definierter Blechplatinenteilbereich auf einer vorgegebenen Temperatur, insbesondere einer Austenitisierungstemperatur, gehalten wird, während wenigstens ein weiterer definierter Blechplatinenteilbereich in dem wenigstens einen definierten Kühlbereich auf eine definierte, dem gegenüber niedrigere Temperatur abgekühlt wird.
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Nach der Entnahme der Blechplatinen aus der Ofenkammer werden diese bevorzugt in ein Umform- bzw. Presswerkzeug eingebracht, wo die heißeren Platinenbereiche durch die Abkühlung im Presswerkzeug gehärtet werden, während die demgegenüber kühleren Platinenbereich weicher bleiben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand einer skizzenhaften Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in der Draufsicht eine Fertigungseinrichtung zum partiellen Vergüten und Umformen von Karosserieteilen von Kraftfahrzeugen, mit einer Stapelvorrichtung für Blechplatinen, einem Turmofen mit mehreren beheizbaren Kammern, einer Tiefziehpresse und einem Roboter als Beschickungseinrichtung; und
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2 einen Schnitt gemäß Linie II-II der 1 durch den Turmofen mit übereinander angeordneten Kammern, in denen die Blechplatinen teils erhitzt und teils gekühlt werden, um eine definierte Temperaturschichtung vor dem Umformen einzustellen.
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Die 1 zeigt in nur skizzenhafter Darstellung eine Fertigungseinrichtung für tragende Karosserieteile von Kraftfahrzeugen, mit einer Stapelvorrichtung 10 zum übereinander Stapeln von Blechplatinen 12, einem Turmofen 14, einem Roboter 16 als Beschickungseinrichtung und einer dem Turmofen 14 gegenüber positionierten Tiefziehpresse 18 zum Warmumformen mit gleichzeitigem Abschrecken (schnellem Abkühlen) der Blechplatinen 12.
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Der Turmofen 14 (vgl. auch 2) weist mehrere, übereinander angeordnete Kammern 20 auf, die in der Draufsicht gesehen in dem etwa rechteckförmigen Gehäuse 22 mit einer Rückwand 22a, Seitenwänden 22b, Böden 22c und je Kammer 20 einer Türe 24 geschlossen sind. Die Türen 24 (1) sind jeweils über eine horizontale Achse 26 schwenkbar an dem Gehäuse 22 angelenkt und mittels einer nicht dargestellten Mechanik in eine Offenstellung (gezeichnet) oder ein Schließstellung verschwenkbar.
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Die Kammern 20 sind unterteilt in einen Bereich 20a, der zum Beispiel über an der Rückwand 22a angeordnete Gasdüsen 28 (1) separat beheizbar ist, es sind dementsprechend je Kammer 20 ein oder mehrere Gasdüsen 28 vorgesehen.
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Ferner sind in den Bereichen 20a der Kammern 20 aus SiC hergestellte, rasterförmige Trägerbalken 30 eingesetzt, die von den Böden 22c nach oben abragen und punktuelle Auflageflächen für die einzulegenden Blechplatinen 12 bilden.
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An den Seitenwänden 22b des Gehäuses 22 sind definierte, unbeheizte Kühlbereiche 20b der Kammern 20 ausgebildet, in denen jeweils Kühlplatten 32, 34 eingesetzt sind, die aus hochtemperaturfestem Stahl oder ebenfalls aus SiC hergestellt sind. In den Kühlplatten 32, 34 sind einheitlich mit 36 bezeichnete Kühlkanäle ausgebildet, die von der Rückwand 22a des Gehäuses 22 aus über Anschlussstutzen 38 an einen Kühlkreislauf (nicht dargestellt) mit einem Kühlmedium angeschlossen sind.
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Die jeweils unteren Kühlplatten 32 sind zum Beispiel kammerfest angeordnet und liegen in einer einheitlichen Ebene mit den Auflageflächen der Trägerbalken 30, während die jeweils oberen Kühlplatten 34 hier beispielhaft und wie mit den Doppelpfeilen (2) angedeutet nach oben verfahrbar sind. Die dazu eingesetzte Stellmechanik ist nicht dargestellt, wesentlich ist jedoch deren bevorzugt vorgesehene je Kammer 20 separate Verstellbarkeit.
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Die Stellmechanik der oberen Kühlplatten 34 ist mit der Schwenkmechanik der Türen 24 derart gekoppelt, dass mit dem Öffnen einer der Kammern 20 die korrespondierenden Kühlplatten 34 nach oben verfahren werden. Es versteht sich, dass bevorzugt gleichzeitig auch die Beheizung der entsprechenden Kammer 20 unterbrochen ist.
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Der Fertigungsablauf mit dem soweit beschriebenen Turmofen 14 ist wie folgt:
Zur Beschickung einer der Kammern 20 des Turmofens 14 bei geöffneter Türe 24 entnimmt der Roboter 16 mit seinem schwenk- und längsverstellbaren Greifarm 40 und einem Rechen oder einer Gabel oder einem Greifer 42 eine Blechplatine 12 aus der Stapelvorrichtung 10, verfährt in eine mit der Türöffnung der Kammer 20 fluchtende Position und setzt die Blechplatine 12 in die Kammer 20 ein (in 1 angedeutet).
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Sodann wird die Türe 24 geschlossen. Zugleich werden die verstellbaren Kühlplatten 34 nach unten verfahren, bis die entsprechenden, seitlichen Bereiche der Blechplatine 12 mit einem definierten Anpressdruck zwischen den Kühlplatten 32, 34 gehalten sind.
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Mit dem Einschalten der Beheizung der Kammerbereiche 20a wird auch der Kühlkreislauf zur Kühlung der Kühlplatten 32, 34 aktiviert.
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Dementsprechend werden die mittleren Bereiche der aus dem Vergütungsstahl 22MnB5 + AS 150) hergestellten Blechplatinen 12 auf eine Austenitisierungstemperatur von ca. 920 bis 950°C erhitzt, während die seitlichen Bereiche auf eine niedrigere, unterhalb Ac3 liegende Temperatur von zum Beispiel 550°C gekühlt werden.
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Mit dem Erreichen der definierten Temperaturschichtung der Blechplatine 12 wird die Beheizung eingestellt, die Kammer 20 geöffnet und die verstellbaren Kühlplatten 34 nach oben verfahren.
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Sodann wird mittels des Roboters 16 die Blechplatine 12 entnommen und unverzüglich der warmumformenden Tiefziehpresse 18 zugeführt. Dort wird die Blechplatine 12 bei gleichzeitiger Umformung mit gezielter Geschwindigkeit (definiertem Temperaturgradienten) abgekühlt, so dass der mittlere Bereich des nunmehr vorliegenden Karosseriebauteiles (zum Beispiel einer B-Säule) im mittleren Bereich ein martensitisches, hartes Gefüge und in den daran anschließenden Endbereichen ein weicheres Gefüge höherer Duktilität aufweist. Der beschriebene Fertigungsablauf ist mit den eingezeichneten Pfeilen verdeutlicht.
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Der Turmofen 14 (vgl. 2) kann ferner weitere, übereinander (dargestellt) oder seitlich aneinander angeordnete Kammern 44 aufweisen, die unterschiedlich zu den Kammern 20 keine Kühlplatten 32, 34 aufweisen und insgesamt beheizbar sind.
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Hier können ebenfalls mittels des Roboters 16 beschickte Blechplatinen 12 auf eine Temperatur von zum Beispiel 930°C beheizt und auf dieser Temperatur eine definierte Zeit gehalten werden, um eine auf die Blechplatinen 12 aufgebrachte Beschichtung von zum Beispiel AlSi einzudiffundieren.
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Nach erfolgter Eindiffundierung der Beschichtung wird die Blechplatine 12 aus der Kammer 44 entnommen und einer freien Kammern 20 des Turmofens 14 zugeführt, wo sie wie vorbeschrieben vor der Umformung in der Tiefziehpresse 18 der definierten Temperaturschichtung unterzogen wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
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So können die Kühlplatten 32, 34 auch nur an einer Seitenwand 22b oder an anderer Stelle innerhalb der Kammern 20 angeordnet sein, um definierte, partielle Vergütungen von Karosseriebauteilen zu schaffen.
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Anstelle von Kühlplatten 32, 34 mit oder ohne Kühlkanäle 36 können in den Kammern 20 auch Trennwände (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die die beheizten Bereiche 20a der Kammern 20 von den unbeheizten Bereichen 20b trennen und die ebenfalls zur Beschickung der Kammern 20 entsprechend verstellbar ausgeführt sind, zum Beispiel als schwenkbare Klappen.
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Anstelle der Trägerbalken 30 können auch parallel zueinander verlaufende Tragwände an den Böden 22c der Kammern 20 verwendet sein, die in Gasströmungsrichtung verlaufen und eine linienförmige Kontaktfläche jeweils zu den Blechplatinen 12 bilden.
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Der Turmofen 14 kann auch elektrisch, zum Beispiel mittels Heizstäben beheizt sein. Gegebenenfalls können die Heizstäbe zugleich lamellenförmige Auflageflächen für die Blechplatinen 12 aufweisen.
