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Die Erfindung betrifft einen Wärmebehandlungsofen zum Erwärmen von härtbaren Blechplatinen, insbesondere von Kraftfahrzeug-Karosserieteilen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Warenträger für einen solchen Wärmebehandlungsofen nach dem Patentanspruch 12.
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Bei aktuellen Fahrzeugkarosserien ist der Einsatz von höchstfesten, warmumgeformten Bauteilen insbesondere im Bereich der Fahrgastzelle bekannt, beispielsweise die B-Säule, der Längsträger oder die Tunnelverstärkung. Derartige Bauteile werden vor Durchführung des Umformvorganges in einem Wärmebehandlungsofen, zum Beispiel einem Rollenherdofen oder einem Etagenofen, vorgewärmt und anschließend in einer Tiefziehpresse warmumgeformt und zugleich abgeschreckt.
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Die zu bearbeitenden Blechplatinen können beispielhaft an einer Beladestation am Ofeneingang lose auf einen Warenträger abgelegt werden. Der mit der Blechplatine beladene Warenträger wird anschließend in den Ofen hinein und gegebenenfalls weiter zu einer Entladestation am Ofenausgang geführt. In der Entladestation wird die vorgewärmte Blechplatine mittels eines Greifers vom Warenträger abgehoben und in die nachgeschaltete Presse eingelegt. Der an der Entladestation zurückbleibende Warenträger wird vom Ofenausgang über eine Rücklaufbahn wieder zur Beladestation am Einlassbereich des Ofens rückgeführt. In der einlassseitigen Beladestation wird dann erneut eine vorzuwärmende Blechplatine auf den Warenträger abgelegt.
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Die Tragstäbe des oben beschriebenen Warenträgers sind häufig aus Keramikmaterial hergestellt, das im Unterschied zu Metall auch bei Temperaturwechsel mit hoher Temperaturdifferenz nahezu ohne Wärmeausdehnung ist. Bei solchen Keramik-Tragstäben besteht jedoch die Problematik, dass es bei der Wärmebehandlung der Blechplatinen, insbesondere bei Blechplatinen mit einer AlSi-Beschichtung zu einem Aufbacken kommt. Das heißt, dass die Bei der Wärmebehandlung in eine flüssige Phase übergehende AlSi-Beschichtung auf dem Keramikmaterial des Tragstabes aufbäckt oder sogar in das Keramikmaterial eindiffundiert. Dies führt zu einer Versprödung des Tragstab-Keramikmaterials, wodurch es häufig zu einem Bruch der versprödeten Tragstäbe kommt.
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Eine weitere Problematik besteht in der hohen Thermoschockbeanspruchung des Warenträgers. Diese ergibt sich bei der Ablage einer noch unbehandelten, bei Raumtemperatur befindlichen Blechplatine auf einen Warenträger, der noch von der vorangegangenen Wärmebehandlung auf hohe Temperaturen (in einer Größenordnung von beispielhaft 700°) vorgewärmt ist. Eine derartige Thermoschockbeanspruchung kann ebenfalls zu einem vorzeitigen Bruch von Keramik-Tragstäben führen.
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Aus der
EP 0 707 188 A1 und aus der
DE 295 12 569 U1 sind allgemein Träger für Härtegut bekannt, das in einen Wärmebehandlungsofen erwärmt wird. Die Träger können einen Grundkörper aus Keramikmaterial aufweisen, auf dem eine metallische Korrosionsschicht aufgespritzt ist. Bei derart metallisch beschichteten Keramik-Tragkörpern können sich jedoch insbesondere aufgrund der hohen Temperaturschwankungen im Laufe der Standzeit des Warenträgers Risse in der metallische Korrosionsschicht ergeben. Aus der
DE 1 934 190 A ist eine Tragplatte für Gegenstände bekannt, die einer Wärmebehandlung zu unterwerfen sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmebehandlungsofen mit einem Warenträger für Blechplatinen bereitzustellen, dessen Tragstäbe dauerhaft ohne Bruch beim Transport der Blechplatinen einsetzbar sind.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine zum Beispiel aus der
EP 0 707 188 A1 bekannte Stoffschlussverbindung, bei der eine metallische Korrosionsschicht auf einem Keramik-Tragkörper aufgebracht ist, bezüglich der Thermoschockbeanspruchung sowie der Temperaturwechselbeständigkeit eines Warenträgers nicht ausreichend stabil ist. Vor diesem Hintergrund wird insbesondere bei einem erfindungsgemäßen Warenträger oder der jeweilige Tragbalken auf den Einsatz einer solchen Stoffschlussverbindung verzichtet und anstelle dessen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 der jeweilige Tragstab des Warenträgers als zweiteiliger Bauteilverbund ausgeführt. Dieser besteht aus einem radial inneren Tragkörper aus Keramikmaterial und einem radial äußeren, rohrförmigen metallischen Abstandhalter. Der äußere Abstandhalter ist einerseits in Kontakt mit der auf den Warenträger angeordneten Blechplatine. Andererseits schützt der metallische Abstandhalter den Keramik-Tragkörper, da ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Blechplatine und dem Keramik-Tragkörper verhindert ist.
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Der Wärmebehandlungsofen kann von jeglicher geeigneter Bauart sein, etwa ein Rollenherdofen mit Warenträger oder ein Etagen- bzw. Mehrlagenkammerofen mit Tragbalken.
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Für den Transport der auf dem Warenträger angeordneten Blechplatine zum Ofeneingang sowie durch den Ofen bis zum Ofenausgang können ortsfeste Transportrollen vorgesehen, auf denen der Warenträger in der Transportrichtung abrollt. Das Abrollen des Warenträgers ist mit mehr oder weniger starken Warenträger-Vibrationen verbunden. Speziell bei einer losen Auflage der Blechplatine auf dem Warenträger ohne zusätzliche Fixiermittel besteht jedoch die Gefahr, dass die Warenträger-Vibrationen zu einer nachteiligen Lageänderung der Blechplatine führen. Um dennoch eine ausreichend geringe Lagertoleranz zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn der rohrförmige Abstandhalter mit Bezug auf den radial inneren Keramik-Tragkörper rutschfest ohne Bewegungsspiel auf dem radial inneren Tragkörper sitzt, das heißt vielmehr kraft- oder reibschlüssig mit dem Tragkörper in Verbindung ist.
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Der rohrförmige Abstandhalter kann als ein Rohr realisiert sein, das auf den Tragkörper aufgeschoben ist. In diesem Fall gestaltet sich der Zusammenbau zu einem im Wesentlichen spielfreien Bauteilverbund montagetechnisch aufwendig. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, den Abstandhalter nicht als ein Rohr, sondern als eine Spirale zu realisieren, die den Tragkörper, insbesondere mit Reibschluss, umwickelt. Die Abstandhalter-Spirale kann montagetechnisch einfach, gegebenenfalls unter elastisch nachgiebiger Aufweitung der Spiralen-Windungen, auf den Tragkörper gestülpt werden. Bevorzugt ist daher der Innendurchmesser der Abstandhalter-Spirale im demontierten, noch unbelasteten Fertigungszustand geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Tragkörpers. Die Abstandhalter-Spirale wird in diesem Fall unter elastisch nachgiebiger Aufweitung kraft- und reibschlüssig auf den Tragkörper geschoben. Beispielhaft kann die Materialstärke der Abstandhalter-Spirale bei 1 mm, die Windungs-Breite bei 10 mm sowie die Windungszahl bei 27 und die Spirallänge bei 500 mm liegen.
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Zum Beladen auf dem Warenträger kann in einer Ausführungsvariante die Blechplatine aus einer vorgegebenen Fallhöhe frei (das heißt ungebremst) auf den Warenträger fallen. Ein unmittelbarer Aufprall der Blechplatine auf dem keramischen Tragkörper würde im ungünstigen Fall zu einem Sprödbruch des Tragkörpers führen. Erfindungsgemäß bleibt jedoch der keramische Tragkörper gegenüber der Blechplatine kontaktfrei. Die Aufprallenergie wird somit erfindungsgemäß nicht unmittelbar in das Keramikmaterial des Tragkörpers eingeleitet, sondern aufgrund der – im Vergleich zur Keramik – elastischen Werkstoffeigenschaften des metallischen Abstandhalters gedämpft. Die Dämpfungsfunktion wird weiter durch die Realisierung des Abstandhalters als Spirale verstärkt. In diesem Fall können die Spiral-Windungen zusätzliche elastisch nachgiebige Ausgleichbewegungen zum Abbau der Aufprallenergie ausführen. Derartige Ausgleichbewegungen können auch bei Wärmeausdehnungen aufgrund von hohem Temperaturwechsel erfolgen.
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Die Windungen der Abstandhalter-Spirale sind bevorzugt in der Längsrichtung des Tragstabes über eine freie Ganghöhe voneinander beabstandet. In diesem Fall ergibt sich somit ein Freigang zwischen den Spiral-Windungen, der für Ausgleichsbewegungen (das heißt Entlastungsbewegungen) der Spiral-Windungen genutzt werden kann. Die Abstandhalter-Spirale weist zudem bevorzugt einen rechtwinkligen oder kreisförmigen Profilquerschnitt auf.
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Insbesondere bei der Wärmebehandlung von Blechplatinen mit einer AlSi-Beschichtung ergibt sich die Problematik, dass aufgrund der hohen Wärmebehandlungs-Temperaturen die AlSi-Beschichtung in die Flüssigphase übergeht. Hierbei besteht die Gefahr, dass die flüssige AlSi-Beschichtung auf den Tragstäben des Warenträgers aufbäckt und sogar zumindest teilweise in das Keramikmaterial (SiC) des Tragkörpers eindiffundiert. Dies führt zu einer Versprödung und damit zum vorzeitigen Bruch des Keramik-Tragkörpers. Vor diesem Hintergrund ist es besonders bevorzugt, wenn der Abstandhalter aus einem hitzebeständigen Stahl mit hohem Aluminiumanteil hergestellt ist. In diesem Fall ist die Affinität des Abstandhalter-Materials aufgrund des hohen Aluminiumanteils zu der AlSi-Beschichtung sehr gering, wodurch es zu weniger Aufbackungen an den Tragstäben kommt. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Stahls mit der Werkstoffnummer 1.4725 aus der Stahlgruppe der hitzebeständigen Stähle mit weniger als 2,5% Ni erwiesen (Kurznamen: CrAl 14 4; X8CrAl14-4).
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Der Warenträger ist bevorzugt aus einem, in der Gebrauchslage horizontal ausgerichteten Tragrahmen aufgebaut, zwischen dessen Rahmenleisten sich die erfindungsgemäßen Tragstäbe erstrecken. Dabei kann der radial innere Keramik-Tragkörper drehbar im Warenträger gelagert sein. Der radial äußere Metall-Abstandhalter kann dagegen ohne weitere Verbindung nur mit dem Tragkörper bewegungsgekoppelt vorgesehen sein. Bevorzugt kann der Warenträger zusammen mit der darauf abgelegten, noch zu erwärmenden Blechplatine durch den Ofen bis zu einer Entladestation am Ofenausgang geführt werden. Am Ofenausgang kann die vorgewärmte Blechplatine mittels eines Greifers vom Warenträger entfernt und dem Warmumformprozess in einer Presse zugeführt. Der Warenträger kann dagegen entlang einer Rücklaufbahn wieder zum Eingangsbereich des Ofens rückgeführt werden und dort erneut eine zu erwärmende Blechplatine aufnehmen.
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Bei einer erneuten Ablage einer zu erwärmenden Blechplatine weist der Warenträger noch eine sehr hohe Temperatur (zum Beispiel im Bereich von bis zu 700°C) auf. Bei Kontakt mit der eine Raumtemperatur aufweisenden Blechplatine besteht somit die Gefahr einer Thermoschockbeanspruchung des Keramik-Tragkörpers. Eine solche Thermoschockbeanspruchung kann jedoch aufgrund des radial äußeren Metall-Abstandhalters verhindert werden, der einen unmittelbaren thermischen Kontakt mit dem Keramik-Tragkörper unterbindet.
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Bevorzugt können die Tragstäbe in Axialrichtung fluchtend in der Transportrichtung der Blechplatinen ausgerichtet sein. Speziell bei Verwendung einer Abstandhalter-Spirale mit rechtwinkligem Profil-Querschnitt führt dies zu einem geringfügigen Verkanten der radial äußeren Windungs-Kanten mit der Unterseite der zu transportierenden Blechplatine, was für einen festen Halt der Blechplatine auf dem Warenträger sorgt und im Hinblick auf eine Reduzierung von Lagetoleranzen von Vorteil ist.
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Zusammenfassend ergeben sich daher die folgenden, stichpunktartig aufgelisteten Vorteile: weniger Produktionsausfall, weniger Werkzeugreinigung, weniger Warenträger müssen ausgeschleust werden, weniger Materialabtrag der AlSi-Beschichtung von den Platinen, keine Aufbackungen der AlSi-Beschichtung auf den Rollen, besserer Korrosionsschutz, weil AlSi-Beschichtung nicht abgetragen wird, teure SiC-Rollen müssen seltener getauscht werden, geringe Investkosten, Stabilisierung der SiC-Rollen durch die Abstandhalter, geringere Thermoschockbeanspruchung der SiC-Rohre, sowie dämpfende Wirkung der Spacer gegen Vibrationen im Ofen beim Durchlauf auf den Rollen.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze mit einem Wärmebehandlungsofen sowie einer prozesstechnisch nachgeschalteten Tiefziehpresse zum Warmumformen mit gleichzeitigem schnellen Abkühlen der Blechplatinen;
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2 in einer grob schematischen Perspektivdarstellung den Eingangsbereich eines Wärmebehandlungsofens mit einem Warenträger; und
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3 in einer stark vergrößerten perspektivischen Detailansicht teilweise einen zweiteilig aufgebauten Tragstab des Warenträgers mit darauf abgelegter Blechplatine.
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In der 1 ist grob vereinfacht eine Fertigungseinrichtung für tragende Karosserieteile von Kraftfahrzeugen gezeigt, die einen Wärmebehandlungsofen 1 und eine nachgeschaltete Tiefziehpresse 3 aufweist. Der Wärmebehandlungsofen 1 ist hier beispielhaft ein Rollenherdofen mit einer Reihe voneinander beabstandeter Warenträgern 5, auf denen lose die zu erwärmenden Blechplatinen 7 aufgelegt sind. Die Warenträger 5 werden gemäß der 1 in einer Beladestation 11 am Ofeneingang mit den Blechplatinen 7 beladen.
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Anschließend werden die beladenen Warenträger 5 in der Transportrichtung T auf ortsfesten Transportrollen 9 von der eingangsseitigen Beladestation 11 durch den Ofen 1 bis zu einer Entladestation 13 am Ofenausgang geführt. An der Entladestation 13 wird die vorgewärmte Blechplatine 7 mittels eines nicht gezeigten Greifers zum Warmumformen in die Tiefziehpresse 3 eingelegt. Der in der Entladestation 13 zurückbleibende Warenträger 5 wird entlang einer mit Pfeilen angedeuteten Rücklaufbahn 15 zur Beladestation 11 im Eingangsbereich des Ofens 1 rückgeführt, um erneut eine Blechplatine 7 durch den Ofen 1 zu transportieren.
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In der 2 ist die Beladestation 11 des Wärmebehandlungsofens 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Demzufolge weist die Beladestation 11 eine Anzahl von Transportrollen 9 auf, die quer zur Transportrichtung T drehbar gelagert sind. In der 2 wird einer der Warenträger 7 auf den Transportrollen 9 in den Ofen 1 hinein transportiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die auf dem Warenträger 5 normalerweise abgelegte Blechplatine 7 weggelassen.
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Wie aus der 2 hervorgeht, weist der in horizontaler Richtung geführte Warenträger 7 einen Tragrahmen 21 auf, dessen gegenüberliegende Rahmenleisten 25 mit Verstärkungsstreben 23 verbunden sind. Zwischen der vorderen und der hinteren Rahmenleiste 25 des Tragrahmens 21 sind Tragstäbe 27 drehbar um Drehachsen gelagert. Die Drehachsen der Tragstäbe sind fluchtend mit der Transportrichtung T der Blechplatinen 7 ausgerichtet.
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Anhand der 3 ist der Materialaufbau eines der Tragstäbe 27 erläutert. Demzufolge ist der Tragstab 27 ein zweiteiliger Bauteilverbund mit einem radial inneren Tragkörper 29 aus einem Keramikmaterial, insbesondere aus SiC, und einer radial äußeren Abstandhalter-Spirale 31, die den rohrförmigen Keramik-Tragkörper 29 umwickelt. Die Abstandhalter-Spirale 31 ist kraft- und reibschlüssig in Anlage mit dem Außenumfang des Keramik-Tragkörpers 29. Die einzelnen Windungen der Abstandhalter-Spirale 31 sind über Freigänge 33 voneinander beabstandet. Gemäß der 3 ist der Profilquerschnitt 35 der Abstandhalter-Spirale rechtwinklig. Die radial äußeren Kanten 37 an den Spiral-Windungen können somit gegebenenfalls mit der Unterseite der Blechplatine 7 leicht verkanten, wodurch die Blechplatine 7 trotz transportbedingt auftretender Warenträger-Vibrationen lagegenau auf dem Warenträger 5 positioniert bleibt.
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Die Abstandhalter-Spirale 31 ist vorliegend beispielhaft aus einem hitzebeständigen Stahl mit hohem Aluminiumanteil hergestellt. Dies ist insbesondere bei der Wärmebehandlung von Blechplatinen 7 von Vorteil, die eine AlSi-Beschichtung 36 aufweisen, wie sie in der 3 mit übertrieben großer Materialstärke angedeutet ist. Aufgrund des hohen Aluminiumanteils im Werkstoff der Abstandhalter-Spirale 31 ergibt sich eine nur geringe Affinität zur AlSi-Beschichtung 36 der Blechplatine 7. Auf diese Weise wird die Gefahr eines Aufbackens der AlSi-Beschichtung 36, die während der Wärmebehandlung in die Flüssigphase übergeht, auf dem Tragstab 27 reduziert. Insbesondere wird dadurch auch ein Eindiffundieren der flüssigen AlSi-Beschichtung 36 in das Keramikmaterial des Tragkörpers 29 verhindert. Ein solches Eindiffundieren würde ansonsten zu einer Versprödung sowie zum frühzeitigen Bruch des Keramik-Tragkörpers 29 führen.
