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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Langmaterial aus Stahlwerkstoff gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Langmaterials gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Aus dem Stand der Technik sind Induktionshärteanlagen für langgestreckte Werkstücke bekannt. Die Härteanlagen weisen Induktorschleifen und diesen Induktorschleifen zugeordnete Abschreckbrausen auf.
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Mit diesen Induktionshärtelagen werden im Automobilbau beispielsweise Achswellen, Gelenkwellen, Rohre für eine Dachreling oder aber auch Federkörper, insbesondere Stabilisatoren für Kraftfahrzeugachsen, gehärtet.
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In der Praxis finden hauptsächlich das Vorschubhärteverfahren und das Ganzflächenhärteverfahren Anwendung. Beide Verfahren sind bei zahlreichen Anwendungen die jeweils technische Alternative. Gegenwärtig ist jedoch eine Tendenz zur Flexibilisierung des Werkzeugmaschinenbaus selber nicht erkennbar. Die Losgrößen einzelner Werkstofftypen werden in den aktuellen Fertigungsverfahren jedoch kleiner, der für die Umrüstung erforderliche Zeitaufwand hingegen steigt hierzu prozentual. In aktuellen Werkzeughärtemaschinen wird daher der Werkzeugwechsel weitestgehend automatisiert.
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Bei langgestreckten Werkstücken, die insbesondere einen ungeraden Verlauf aufweisen, beispielsweise in Form einer Freiformlinie oder aber eines Kurvenverlaufs, bietet die Vorschubhärtung in einem automatisierten Verfahren Vorteile.
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Beispielsweise ist aus der
EP 1 405 926 B1 eine mit Greifern ausgestattete Aufnahme von einem Roboter bekannt, die durch eine feststehende Induktionsspule geführt werden. Bei der Durchführung des Bauteils durch die Induktionsspule selber muss jeder Greifer kurz vor Passieren der Induktionsspule geöffnet werden und nach Passieren geschlossen werden. Eine solche Spannvorrichtung umfasst das Bauteil jeweils auf einer Umfangsfläche im Wesentlichen ganz und benötigt hierzu einen großen Platzbedarf sowie eine entsprechend anfällige Greifermechanik.
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Aus der
DE 198 07 099 C2 ist ein flüssigkeits- oder gasgekühlter Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken, bestehend aus einem flexiblen Leiter sowie einen diesen mit Abstand umgebenden elektrisch isolierenden Schlauch bekannt, wobei der Leiter im Schlauch frei von dessen Wandung achsparallel fixiert ist und über Halterungen ortsveränderlich zum Werkstück festlegbar ist. Hierdurch ist eine Anlage bekannt, die individuell der Außenkontur eines zu härtenden Werkstückes anpassbar ist, sich jedoch nicht zum Härten von Langmaterialien eignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Langmaterials bereitzustellen, wobei die Vorrichtung einem einfachen Funktionsprinzip folgt, fehlerunanfällig ist und einen geringen Platzbedarf aufweist und gleichzeitig bei dem Härteprozess der Bauteilverzug kontrollierbar ist bzw. minimiert wird.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der verfahrenstechnische Anteil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Wärmebehandeln eines Langmaterials gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Die Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Langmaterial aus Stahlwerkstoff, umfassend eine Induktionseinheit, die einen Induktor zur Erwärmung des Langmaterials und eine dem Induktor zugeordnete Abschreckbrause zur Abkühlung des Langmaterials aufweist, wobei das Langmaterial in einer Haltevorrichtung fixierbar ist, welche zumindest zwei in Längsrichtung des Langmaterials mit einem Abstand zueinander angeordnete Aufnahmen umfasst und die Induktionseinheit bei der Wärmebehandlung relativ zum Langmaterial in dessen Längsrichtung verlagerbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen auf einer Platte angeordnet sind und das Langmaterial unter Ausnutzung der Gravitationskraft abstützen und in mindestens eine Richtung, welche parallel zur Platte (3) verläuft, fixieren, wobei die Aufnahmen (4) zum Passieren der Induktionseinheit verlegerbar sind.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter einer relativen Verlagerung von Langmaterial und Induktionseinheit zueinander zu verstehen, dass entweder die Induktionseinheit über die Längsrichtung des Langmaterials verfahren wird oder aber das Langmaterial mit der gesamten Werkzeugspannung über die Induktionseinheit verfahren wird. Dabei wäre beispielsweise die Induktionseinheit stationär angeordnet und die Vorrichtung zur Wärmebehandlung mit dem eingespannten Langmaterial entlang der Induktionseinheit bewegbar. Auch vorstellbar ist eine Mischform, bei der sowohl die Induktionseinheit als auch die Vorrichtung mit eingespanntem Langmaterial jeweils absolute Bewegungen ausführen und dabei eine Relativbewegung zueinander ausgeführt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Langmaterial auf die Aufnahmen aufgelegt und somit lagefixiert. Anschließend wird das Langmaterial von einem Induktor abgefahren und dadurch wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung findet hauptsächlich in Form einer Härtung statt, sie kann jedoch auch als duktilitätserhöhende Wärmebehandlung durchgeführt werden. Ebenfalls ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, dass längliche Bauteil auch nur partiell wärmezubehandeln. Insbesondere handelt es sich um ein Stahlbauteil, bei dem diverse härtbare Stahllegierungen zum Einsatz kommen. Es kann sich jedoch auch um ein Leichtmetallbauteil, beispielsweise um eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung handeln, die wärmebehandelt wird.
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Das Langmaterial wird von der Aufnahme abgestützt. Das Abstützprinzip erfolgt dabei dem Prinzip des Widerlagers und die Anpresskraft auf die Aufnahme ist durch die Erdanziehung hervorgerufen. Damit das Langmaterial nicht im Wesentlichen in paralleler Richtung zu der Platte verschiebbar ist, wirkt die Aufnahme in mindestens einer Richtung fixierend. Die Aufnahme weist hierzu besonders bevorzugt eine Nase auf, die ein Verschieben parallel zur Platte, zumindest in einer Richtung, verhindert. Die Aufnahme kann auch zwei Nasen aufweisen, sodass im Wesentlichen ein U-förmiger Aufnahmekopf an der Aufnahme selber ausgebildet ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Aufnahme ist, dass das Langmaterial durch den Härtevorgang und hierbei auftretenden Spannungen durch die Aufnahmen in seiner Sollgeometrie gehalten wird. Ein Verzug des Bauteils wird somit weitestgehend unterbunden, was sich auf die Maßhaltigkeit des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbaren Verfahrens auswirkt.
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Beim Abfahren des Induktors des länglichen Materials entlang seiner Längsachse, werden zum Passieren der Induktionseinheit die erfindungsgemäßen Aufnahmen verlagert. Die Induktionseinheit umfasst das Langmaterial außenseitig vollständig, sodass ohne den erfindungsgemäßen Ansatz ein vollständiges Passieren nicht möglich wäre. Die Induktionseinheit wäre beim Abfahren des Langmaterials somit durch die Aufnahmen selber in ihren Bewegungsmöglichkeiten beschränkt.
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Erfindungsgemäß sind die Aufnahmen auf einer Platte angeordnet. Unter einer Platte ist im Rahmen der Erfindung ein Werktisch, eine Montageplatte oder Ähnliches zu verstehen. Auf dieser Montageplatte befinden sich die Aufnahmen und können ebenfalls adaptiv einsteckbar sein, sodass innerhalb kürzester Rüstzeit verschiedene Langmaterialien mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wärmebehandelt werden können. Die Induktionseinheit ist dabei besonders bevorzugt an einem mehrachsigen Industrieroboter aufgehangen, sodass diese entsprechend viele Freiheitsgrade besitzt, um das Langmaterial, insbesondere das in der Form einer Freilaufkurve verlaufende Langmaterial durch die Induktionseinheit abfahrbar ist. Das durch die Abschreckbrause ausgetretene Kühlmittel wird im Rahmen der Erfindung von der Platte aufgefangen, einem Sammelbehälter zugeführt und kann anschließend wieder eingesetzt werden. Die Platte selber kann im Rahmen der Erfindung ebenfalls verlagerbar sein, beispielsweise in Form eines Manipulators mit zwei oder mehr Freiheitsgraden. Die Platte kann im Rahmen der Erfindung vertikal, horizontal oder aber in einer Mischform anordnenbar sein.
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Vorzugsweise ist das Langmaterial mit seiner Längsrichtung parallel zur Platte orientiert auf den Aufnahmen gelagert. Hierunter ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass die Aufnahmen das Langmaterial maßgeblich in einem parallelen Abstand zur Platte halten. Sofern eine in normaler Richtung zur Platte bestehende Freiform des Langmaterials gängig ist, so kann durch verschieden lange Aufnahmen die jeweilige Distanz mit Abstand zur Platte kompensiert werden.
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Besonders bevorzugt ist die Aufnahme selbst in der Platte versenkbar angeordnet. Kurz vor Passieren der Induktionseinheit versenkt sich die Aufnahme in der Platte. Dies kann passiv oder aber auch aktiv geschehen. Beispielsweise kann an der Aufnahme eine Keilvorrichtung vorhanden sein, die durch die Induktionseinheit derart ausgelöst und/oder betätigt wird, dass die Aufnahme durch die Bewegungskraft der Induktionseinheit passiv in der Platte versenkt wird. Nach Passieren der Induktionseinheit würde die Aufnahme entsprechend wieder an ihre ursprüngliche Position und somit an die ursprüngliche Halteposition zurückkehren. Bei einer aktiven Verstellung würde ein aktives Stellglied, beispielsweise ein Servomotor, ein elektromechanisches, hydraulisches oder aber pneumatisches Stellglied, die Halterung absenken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Aufnahme schwenkbar an der Platte gelagert. Es würde folglich keine Absenkbewegung stattfinden, sondern eine Schwenkbewegung. Auch hier ist wiederum eine aktive oder aber passive Schwenkbewegung vorstellbar. Bei Erreichen der Induktionseinheit des Längenabschnittes des Langmaterials, das durch die Aufnahme gehalten ist, wird die Aufnahme durch die Bewegungskraft der Induktionseinheit abgeschwenkt.
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Vorzugsweise ist der Aufnahme ein Federkörper zugeordnet. Ein solcher Federkörper kann eine abgeschwenkte Aufnahme nach Passieren der Induktionseinheit wieder in ihre ursprüngliche Position zurückschwenken. Besonders bevorzugt ist die Aufnahme selbst dazu unter Vorspannung gelagert. Die Aufnahme stößt an einen Endanschlag, welcher sie in der Aufnahmeposition hält. Die Bewegungskraft der Induktionseinheit wirkt der Vorspannkraft des Federkörpers entgegen und schwenkt und/oder versenkt die Aufnahme. Nach Passieren der Induktionseinheit wird die Aufnahme wieder durch die Federkraft zurück in ihre Ausgangsposition gebracht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Langmaterials, welches insbesondere die Merkmale einer der vorangegangenen Ausführungen aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- – Einlegen des Langmaterials in die Aufnahmen einer Aufnahmevorrichtung;
- – relatives Bewegen einer Induktionseinheit in Längsrichtung des Langmaterials;
- – Verlagern der Aufnahme, sodass die Induktionseinheit das Langmaterial in Längsrichtung passieren kann;
- – Zurückbewegen der Aufnahme in ihre Ausgangsposition nach dem Passieren der Induktionseinheit.
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Im Rahmen der Erfindung ist hierbei ein separates selektives oder aber einzelnes Bewegen einer jeden Aufnahme zu verstehen. Es können jedoch auch zwei oder drei Aufnahmen gleichzeitig bzw. mit vorbestimmter Abfolge bewegt werden. Während des relativen Bewegens der Induktionseinheit in Längsrichtung des Langmaterials findet ein Härtungs- und/oder Vergütungsvorgang an dem Langmaterial selber statt. Bei Erreichen der Induktionseinheit einer jeden Aufnahme, wird diese derart verlagert, dass sie den Bewegungsweg für die Induktionseinheit freigibt. Im Rahmen der Erfindung kann die Verlagerungsbewegung einer jeden Aufnahme aktiv und/oder passiv gemäß den vorangegangenen Ausführungen ausgeführt werden. Das Zurückbewegen kann ebenfalls wiederum aktiv oder passiv, beispielsweise durch Zuhilfenahme eines Federkörpers, ausgeführt werden.
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Insbesondere wird die Aufnahme von einem aktiven Stellaktuator relativ zu dem Langmaterial geschwenkt und/oder abgesenkt. Dies kann bereits besonders bevorzugt zeitlich vor Erreichen der Induktionseinheit des Längenabschnitts, der durch die Aufnahme fixiert ist, geschehen. Hierdurch kann insbesondere dem zeitlichen Abfahren der Induktionseinheit des Langmaterials und somit der Intensität der Wärmebehandlung Rechnung getragen werden. Ist beispielsweise ein schnelles Abfahren der Induktionseinheit über das Langmaterial gefordert, so kann durch diese Maßnahme gleichzeitig die Wärmebehandlung durchgeführt werden und eine besonders sichere Fixierung des Langmaterials auf der Aufnahmevorrichtung sichergestellt werden.
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Als besonders kostengünstige Ausführungsvariante des vorliegenden Verfahrens ist die Aufnahme von einer Feder vorgespannt in ihrer Aufnahmeposition zur Aufnahme des Langmaterials gehalten. Bei Passieren der Induktionseinheit wird die Aufnahme zum Passieren der Induktionseinheit geschwenkt und/oder abgesenkt und nach Passieren der Induktionseinheit durch die Feder wieder in ihre Aufnahmeposition gebracht. Das Schwenken und/oder Absenken kann hierbei ebenfalls wieder aktiv und/oder passiv ausgeführt werden. Die Rückstellkraft wird von der Federeinheit auf die Aufnahme aufgebracht, um diese wieder in ihre Aufnahmeposition zu schwenken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird das Langmaterial durch die Aufnahmevorrichtung in der erwünschten Sollgeometrie des vergüteten Langmaterials eingespannt. Durch die Lagefixierung mittels der Aufnahmen wird die Sollgeometrie sowohl vor, während als auch nach dem Härten eingenommen und sichergestellt. Eine Bauteilschwindung und/oder Deformation wird hierdurch erfindungsgemäß weitestgehend vermieden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird das Langmaterial durch die Aufnahmevorrichtung abweichend von der gewünschten Sollgeometrie eingespannt, sodass nach der Entnahme des Langmaterials aus der Aufnahmevorrichtung, während des Vergütungsprozesses erzeugte Eigenspannungen innerhalb des Materials eine gewünschte Deformation und somit ihre Endform einnehmen. Das Entspannen des Langmaterials erfolgt hierbei entweder während des Vergütungsprozesses, durch Weglassen von Aufnahmen oder aber nach Abschluss des Vergütungsprozesses.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Diese dient dem einfachen Verständnis der Erfindung. Die schematischen Figuren zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wärmebehandeln eines Langmaterials;
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit versenkbaren Aufnahmen;
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit schwenkbaren Aufnahmen und
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4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Ausführungsform mit Manipulator.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Wärmebehandeln eines Langmaterials 2. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei eine Platte 3, mit auf der Platte 3 angeordneten Aufnahmen 4. Die Aufnahmen 4 weisen zueinander jeweils einen Abstand a auf, wobei der Abstand a zwischen den einzelnen Aufnahmen 4 variieren kann. Die Aufnahmen 4 stützen das Langmaterial 2 gegenüber der durch die Gravitationskraft aufgebrachten Gewichtskraft G ab.
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Weiterhin weisen die Aufnahmen 4 Nasen 6 auf, wobei die Nasen 5 zusätzlich das Langmaterial 2 in X- bzw. Y-Richtung fixeren. So erfolgt beispielsweise in der hier gezeigten Ausführungsvariante eine Fixierung der jeweils an der Stirnseite 7 der Platte 3 angeordneten Aufnahmen 4 in X-Richtung und eine Fixierung der an der Längsseite 8 angeordneten Aufnahmen 4 in Y-Richtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist weiterhin in 2 dargestellt, eine Induktionseinheit 9 auf, die wiederum aus einem Induktor 10 und einer dem Induktor 10 zugeordneten Kühlmittelbrause 11 besteht. Die Induktionseinheit 9 fährt das Langmaterial 2 in Längsrichtung 12 des Langmaterials 2 ab. Hierzu werden die Aufnahmen 4 gegenüber der Platte 3 selber versenkt. Dargestellt ist eine versenkte Aufnahme 13 in 2a, die in 2b bereits wieder ausgefahren wurde, wohingegen eine zweite Aufnahme 13 versenkt ist.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, wobei hier die Aufnahmen 4 selber schwenkbar gelagert sind. In 3a ist eine abgeschwenkte Aufnahme 14 gezeigt, die in 3b wiederum in ihrer Aufnahmeposition zurückbewegt wurde. In 3b ist hierzu eine zweite Aufnahme 14 abgeschwenkt worden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, wobei hier die Platte 3 selbst drehbar gelagert ist. Die Platte 3 weist hierzu zwei Rotationsachsen 15 auf und kann weiterhin in drei Freiheitsgraden X, Y, Z bewegt werden. Erfindungsgemäß können somit auch komplexe Geometrien in Form von Freilaufkurven des Langmaterials 2 durch die in 4 nicht dargestellte Induktionseinheit abgefahren werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Langmaterial
- 3
- Platte
- 4
- Aufnahme
- 5
- Gewichtskraft
- 6
- Nase
- 7
- Stirnseite
- 8
- Längsseite
- 9
- Induktionseinheit
- 10
- Induktor
- 11
- Kühlmittelbrause
- 12
- Längsrichtung zu 2
- 13
- versenkte Aufnahme
- 14
- abgeschwenkte Aufnahme
- 15
- Rotationsachse
- a
- Abstand
- X
- Richtung
- Y
- Richtung
- Z
- Richtung
- G
- Gewichtskraft
