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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Werkstücken.
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Die induktive Erwärmung von metallischen Werkstücken mittels von einem Wechselstrom durchflossener Induktionsspulen ist bekannt. Beispielsweise beim Induktionshärten dient eine mit Wechselstrom beaufschlagte Induktionsspule, die geometrisch dem Bauteil angepasst ist, zur Erwärmung des Bauteils. Die von Wechselstrom durchflossene Induktionsspule erzeugt ein Magnetfeld, das in der Randschicht des metallischen Bauteils Wirbelströme induziert, welche zu einer lokalen Erwärmung führen. Die Eindringtiefe der Wirbelströme ist von der Frequenz des Wechselfeldes abhängig, wobei die Eindringtiefe umso kleiner ist, je höher die Frequenz des Wechselfeldes ist.
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Die
DE 10 2008 062 270 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Härten metallischer Werkstücke, wobei das Werkstück mittels einer Fördereinrichtung in einem Durchlaufofen entlang einer Förderrichtung transportiert und mittels einer induktiven Heizeinrichtung partiell erwärmt wird.
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Die
DE 10 2007 015 314 A1 beschreibt einen Induktor zum Induktionshärten von metallischen Werkstücken, wobei der Induktor durch mehrere einzelne Induktorelemente gebildet ist, die der Werkstückkontur angepasst sind und die jeweils einen vorgegebenen Teilbereich des Werkstücks härten.
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Die
DE 10 2007 012 067 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur induktiven Wärmebehandlung eines Bauteils, bei der ein Feldvariator vorgesehen ist, der an der Induktionsspule angeordnet ist und die Feldlinien des von der Induktionsspule erzeugten Wechselmagnetfeldes an die Kontur des Bauteils anpasst.
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Allen Lösungen ist gemein, dass das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselmagnetfelds eine begrenzte Eindringtiefe aufweist, so dass das Werkstück nicht mit einer über seinen Querschnitt konstanten Temperatur erwärmt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur gleichmäßigen induktiven Erwärmung eines Werkstücks anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 und dem Gegenstand des Anspruchs 5 gelöst. Es wird ein Verfahren zur Erwärmung eines als Blechplatine oder Blechformteil ausgebildeten Werkstücks aus elektrisch leitfähigen Material auf eine Umformtemperatur und/oder eine Härtungstemperatur mittels eines von einer Induktionsspule induzierten Wechselmagnetfelds vorgeschlagen, wobei das Wechselmagnetfeld von der in einem Magnetkreis angeordneten, von einem Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule induziert wird, und wobei vorgesehen ist, dass der Magnetkreis gebildet wird aus einem metallischen Hilfskörper und dem Werkstück, welches einen offenen Abschnitt des Hilfskörpers überbrückt,
dass der Magnetkreis einen geschlossenen Stromkreis bildet, in dem ein Induktionsstrom erzeugt wird,
dass das Werkstück einen Abschnitt des von dem Wechselmagnetfeld durchfluteten Magnetkreises und dem von dem Induktionsstrom durchströmten Stromkreises bildet, wobei in dem Werkstück im gesamten Querschnittsbereich Strom induziert wird, der das Werkstück erwärmt, und
dass das Werkstück während der Erwärmung in seiner Lage fixiert wird.
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Weiter wird ein eine Erwärmungsvorrichtung für ein als Blechplatine oder Blechformteil ausgebildetes Werkstück aus elektrisch leitfähigen Material auf eine Umformtemperatur und/oder eine Härtungstemperatur mittels eines von einer Induktionsspule induzierten Magnetfeldes vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass eine Aufnahmeeinrichtung einen Magnetkreis aufweist, der die von einem Wechselstrom durchflossene Induktionsspule umschließt, wobei der Magnetkreis einen metallischen Hilfskörper und mindestens ein Werkstück umfasst und einen geschlossenen Stromkreis bildet, in dem ein Induktionsstrom erzeugt wird, wobei das mindestens eine Werkstück mindestens einen offenen Abschnitt des metallischen Hilfskörpers überbrückt und einen Abschnitt des von dem Induktionsstrom durchströmten Stromkreises bildet,
dass die Aufnahmeeinrichtung mindestens einen Auflageabschnitt für das mindestens eine Werkstück aufweist, und
dass zur Fixierung des mindestens einen Werkstücks ein über dem mindestens einen Auflageabschnitt angeordneter Gegenhalter auf das mindestens eine Werkstück absenkbar ausgebildet ist.
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Das vorgeschlagene induktive Erwärmungsverfahren weist den Vorteil auf, dass das Werkstück gleichmäßig von den magnetischen Flusslinien durchsetzt wird und damit ein Strom induziert wird, der im Gegensatz zu einer lediglich durch Induktionsspulen auf Wirbelströmen beruhenden induktiven Erwärmung nicht auf einen Oberflächenabschnitt begrenzt ist, sondern den gesamten Werkstückquerschnitt durchdringt. Weiter wirkt der aus dem metallischen Hilfskörper und dem aufgelegten Werkstück gebildete Magnetkreis als ein geschlossener Stromkreis, in dem das Werkstück ein Widerstand ist, in dem der in dem Magnetkreis induzierte Strom in Wärme umgesetzt wird. Durch diese beiden Maßnahmen wird das Werkstück über seinen gesamten Querschnitt gleichmäßig und effektiv erwärmt.
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Durch die Lagefixierung des Werkstücks werden Verformungen des Werkstücks vermieden und es werden durch das magnetische Wechselfeld hervorgerufene Kräfte unterdrückt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Längsachse der Induktionsspule parallel zu dem Werkstück angeordnet wird.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Werkstück während der Erwärmung mittels eines Gegenhalters auf eine Werkstückauflage gepresst wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass das Werkstück in einer Schutzgasatmosphäre erwärmt wird. Vorzugsweise kann eine Schutzgas schwerer als Luft vorgesehen sein, so dass ein oben offener trogförmiger Schutzgasbehälter vorgesehen sein kann, der die Zuführung und Entnahme des Werkstücks erleichtert.
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Weitere Ansprüche sind auf die Ausbildung der Erwärmungsvorrichtung gerichtet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmeeinrichtung einen äußeren und/oder einen inneren Hüllkörper aufweist, in und/oder auf dem der Hilfskörper angeordnet ist.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der äußere und/oder der innere Hüllkörper aus einem elektrischen Isolator, vorzugsweise aus Keramik ausgebildet ist, wobei vorteilhafterweise das keramische Material zugleich eine Wärmeisolation bildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Gegenhalter aus einem elektrischen Isolator, vorzugsweise aus Keramik ausgebildet ist. Als keramisches Material kann das vorstehend beschriebene keramische Material vorgesehen sein.
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Der Hilfskörper kann aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen ausgebildet sein. Damit wird der Hilfskörper nicht oder nur im geringen Maße durch Wirbelströme erwärmt, so dass die Wärmeentwicklung im Wesentlichen auf das Werkstück begrenzt ist.
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Die Bleche zum Aufbau des Hilfskörpers können aus Stahl, Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sein. Das Material des Hilfskörpers kann so gewählt sein, dass er einen geringeren elektrischen Widerstand als das aufgelegte Werkstück aufweist, so dass vornehmlich das Werkstück durch den im Magnetkreis fließenden Induktionsstrom konduktiv erwärmt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Induktionsspule als eine Luftspule ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausbildung kann die Induktionsspule als eine Zylinderspule ausgebildet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Induktionsspule mit länglichem Querschnitt ausgebildet sein, wobei die Höhe der Induktionsspule geringer als die Breite ist, und wobei die Breitenerstreckung der Induktionsspule parallel zu dem mindestens einen Werkstück verläuft.
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Es kann vorgesehen sein, die Induktionsspule und/oder die Hüllkörper zu kühlen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, die Induktionsspule aus einem Kühlmittel durchflossenen Rohr auszubilden oder das Kühlmittel durch einen zwischen der Induktionsspule und dem inneren Hüllkörper ausgebildeten Abstandsraum zu leiten oder die Hüllkörper mit Kühlkanälen auszubilden.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Induktionsspule mit einem abschnittsweise unterschiedlichen Windungsabstand ausgebildet ist. Es kann so vorgesehen sein, dass unterschiedliche Materialdicken auf eine gleiche oder zumindest ähnliche Temperatur erwärmt werden. Es ist auch möglich, duktile Bereiche auszubilden, indem diese über einem Abschnitt der Induktionsspule mit vergrößertem Windungsabstand angeordnet werden. Weiter kann vorgesehen sein, mit einer solchen Induktionsspule Werkstücke gleichmäßig zu erwärmen, die bereichsweise eine unterschiedliche Dicke und/oder unterschiedliches Material aufweisen.
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Es kann auch vorgesehen sein, die Induktionsspule abschnittsweise aus Material auszubilden, das sich in seinen elektrischen Eigenschaften unterscheidet.
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Die Erwärmungsvorrichtung kann in einem mit einem Schutzgas befüllten Aufnahmeraum angeordnet sein, wie weiter oben beschrieben.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung längs der Schnittlinie I-I in 2;
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2 die Erwärmungsvorrichtung in 1 in einer schematischen Schnittdarstellung längs der Schnittlinie II-II in 1;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung längs der Schnittlinie III-III in 4;
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4 die Erwärmungsvorrichtung in 3 in einer schematischen Schnittdarstellung längs der Schnittlinie IV-IV in 3;
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5 die Erwärmungsvorrichtung in 3 in einer schematischen Schnittdarstellung längs der Schnittlinie V-V in 4;
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6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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7 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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8 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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9 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Die 1 und 2 zeigen eine Erwärmungsvorrichtung 1, die mittels eines induzierten Wechselmagnetfeldes ein als Blechplatine oder Blechformteil ausgebildetes Werkstück 2 aus elektrisch leitfähigem Material auf eine Umformtemperatur und/oder eine Härtungstemperatur erwärmt.
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Eine Aufnahmeeinrichtung 11 weist einen Magnetkreis auf, der eine in dem Magnetkreis angeordnete Induktionsspule 13 umschließt, die, sobald sie von einem Wechselstrom durchflossen ist, in dem Magnetkreis ein magnetisches Wechselfeld induziert. Die Aufnahmeeinrichtung 11 weist einen im Querschnitt offenen ringförmigen metallischen Hilfskörper 14, in welchem die Induktionsspule 13 angeordnet ist, auf. Der Magnetkreis umfasst den metallischen Hilfskörper 14 und ein auf einem Auflageabschnitt der Aufnahmeeinrichtung 11 angeordnetes Werkstück 2. Das Werkstück 2 übergreift den offenen Abschnitt des Hilfskörpers 14, so dass bei aufgelegtem Werkstück 2 der Magnetkreis geschlossen ist (siehe 1).
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Der in dem Magnetkreis induzierte magnetische Fluss durchströmt den Hilfskörper 14 sowie den gesamten Querschnitt des Werkstücks 2, so dass die durch den magnetischen Fluss hervorgerufenen Wirbelströme über den gesamten Querschnitt des Werkstücks 2 gleichmäßig verteilt sind und daher das Werkstück 2 gleichmäßig erwärmen. Es tritt also hier keine von der Frequenz des Wechselstroms abhängige, auf die Oberfläche des Werkstücks begrenzte Erwärmung auf, wie sie für die induktive Erwärmung typisch ist. Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in dem Hilfskörper 14 ist dieser aus voneinander isolierten Blechen ausgebildet. Die Bleche können aus Stahl, aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgebildet sein. Weiter bildet der Magnetkreis einen geschlossenen Stromkreis, durch den ein Induktionsstrom fließt, der das Werkstück 2 auch konduktiv erwärmt.
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Über dem Auflageabschnitt für das Werkstück 2 ist ein Gegenhalter 12 angeordnet, der auf das Werkstück 2 absenkbar ausgebildet ist und das Werkstück 2 während des Erwärmens fixiert.
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Der Hilfskörper 14 ist zwischen einer äußeren Hüllschale 15 und einer inneren Hüllschale 16 angeordnet. Die innere Hüllschale 15 ist mit einem ringförmigen geschlossenen Querschnitt ausgebildet, wobei der dem Werkstück 2 zugewandte Oberflächenabschnitt als Auflagefläche für das Werkstück 2 ausgebildet ist. Die äußere Hüllschale 15 weist eine Ausnehmung für das Werkstück 2 und den Gegenhalter 12 auf. Die äußere Hüllschale 15, die innere Hüllschale 16 sowie der Gegenhalter 12 sind aus einem elektrischen Isolator ausgebildet, beispielsweise aus einem keramischen Material ausgebildet. Die Hüllschalen sowie der Gegenhalter dienen zugleich als Wärmeisolation.
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Die Induktionsspule 13 ist in dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als eine zylinderförmige Luftspule ausgebildet, die in einem zylinderförmigen Aufnahmeraum der inneren Hüllschale 15 angeordnet ist. Die Hüllschale 15 fixiert die Induktionsspule 13 in ihrer Lage. Die Wicklungslänge der Induktionsspule 13 entspricht etwa der Länge des rechteckförmigen Werkstücks 2.
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Wie in 2 dargestellt, kann die Aufnahmeeinrichtung 11 offene Stirnseiten aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Stirnseiten geschlossen auszubilden. Beispielsweise können an den Stirnseiten Abdeckplatten vorgesehen sein, die vorzugsweise aus Keramik ausgebildet sein können.
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Die Erwärmungseinrichtung 1 weist ein Gehäuse 17 auf, das die vorbeschriebenen Baugruppen oder Bauelemente aufnimmt. In der in 1 und 2 gewählten Prinzipdarstellung ist nicht gezeigt, wie die Baugruppen oder Bauelemente in dem Gehäuse 17 befestigt sind.
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Die 3, 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erwärmungsvorrichtung, das sich von dem in 1 und 2 vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die Induktionsspule 13 eine Wicklung mit unterschiedlicher Wicklungsdichte aufweist, wobei die äußeren Abschnitte der Induktionsspule 13 mit einem engen Wicklungsabstand ausgebildet sind und der mittlere Abschnitt der Induktionsspule 13 mit einem weiten Wicklungsabstand 13w ausgebildet ist, der größer als der enge Wicklungsabstand ist. Durch diese Ausbildung wird der Bereich des Werkstücks, der über dem mittleren Abschnitt der Induktionsspule 13 angeordnet ist, geringer erwärmt als die Außenbereiche. Dadurch kann beispielsweise der mittlere Bereich des Werkstücks als duktiler Bereich ausgebildet werden, der nicht auf die zur Härtung erforderliche Temperatur erwärmt wurde. Es ist auch möglich, mit einer solchen Ausbildung der Induktionsspule Werkstücke mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken und/oder bereichsweise unterschiedlichen Materialsorten zu erwärmen.
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Wie in 5 dargestellt, sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Werkstücke 2 in der Längserstreckung der Induktionsspule „Kopf an Kopf” angeordnet. Die Kopfbereiche der Werkstücke sind über dem mittleren Abschnitt der Induktionsspule 13 angeordnet, der den weiten Wicklungsabstand 13w aufweist, wodurch die Kopfabschnitte der Werkstücke 2 auf eine geringere Temperatur als die Fußabschnitte erwärmt werden. Die beiden unterschiedlichen Temperaturen können so gewählt sein, dass die Kopfabschnitte beim Härten duktil ausgebildet werden und die Fußabschnitte gehärtet werden. In dem in 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um bereits mit einer Umfangskontur versehene Werkstücke, die beispielsweise im Fahrzeugbau einsetzbar sind, um Träger mit Knautschzonen und/oder hochfesten Bereichen auszubilden.
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6 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung analog zu 1 und 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem der Auflageabschnitt der Aufnahmeeinrichtung 11 nicht eben, sondern gewölbt ausgebildet ist. Zur vereinfachten Darstellung ist das Werkstück 2 als ein um die Längsachse gewölbtes Blechteil konstanter Dicke ausgebildet, bei dem es sich um ein vorgeformtes oder fertig geformtes Werkstück handeln kann. Der Gegenhalter 12 weist demzufolge in seinem unteren Abschnitt eine dementsprechende Wölbung mit umgekehrtem Vorzeichen auf.
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Die 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, bei denen die Aufnahmeeinrichtung 11 einander gegenüber angeordnete Auflageabschnitte zur gleichzeitigen Erwärmung von zwei Werkstücken 2 aufweist. Es sind zwei einander gegenüber angeordnete schalenförmige Hilfskörper 14 vorgesehen, zwischen denen die ebenen Auflageabschnitte für die beiden Werkstücke 2 angeordnet sind. Ebenso sind zwei einander gegenüber angeordnete Gegenhalter 12 vorgesehen.
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Die in 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in der Ausbildung der Induktionsspulen 13. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine zylinderförmige Induktionsspule 13 vorgesehen. In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Induktionsspule 13 vorgesehen, deren Wicklungen durch einander gegenüberliegende gerade Abschnitte, die durch bogenförmige Abschnitte verbunden sind, in der Breite gestreckt sind.
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9 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuse 17 mit einem Schutzgas 34 befüllt ist. Vorzugsweise handelt es sich um ein Schutzgas schwerer als Luft, das heißt mit relativer Dichte größer als Luft, so dass das Gehäuse 17 nach oben offen ausgebildet sein kann.
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Eine Schutzgasversorgungseinrichtung 3 umfasst einen Druckgastank 31, einen Druckminderer 32 und eine Schutzgaszuleitung 33, die den Ausgang des Druckminderers mit einem Gaseinlassstutzen des Gehäuses 17 verbindet. Als Schutzgas kann als Schutzgas schwerer als Luft beispielsweise CO2 vorgesehen sein. Für geschlossene Gehäuse oder schutzgasgespülte Gehäuse kann Stickstoff als Schutzgas vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erwärmungsvorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Schutzgasversorgungseinrichtung
- 11
- Aufnahmeeinrichtung
- 12
- Gegenhalter
- 13
- Induktionsspule
- 13w
- weiter Wicklungsabstand
- 14
- Hilfskörper
- 15
- äußere Hüllschale
- 16
- innere Hüllschale
- 17
- Gehäuse
- 31
- Druckgastank
- 32
- Druckminderer
- 33
- Schutzgaszuleitung
- 34
- Schutzgas
