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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Dabei werden Werkstücke, insbesondere Bleche, mit Hilfe eines Induktors induktiv erwärmt, um diese schnell, gleichmäßig und schonend aufzuheizen. Die Erwärmung dient der schadensfreien Erzielung höherer Umformgrade beim Umformen der Werkstücke, insbesondere Bleche, in den erwärmten Bereichen. Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 112 466.0 geht ein Induktor mit einer Induktionsspule hervor, die Kupferdraht umfasst und in der Umgebung eines zu erwärmenden Bereichs eine Werkstücks angeordnet wird. Dabei wird Wechselstrom durch die Induktionsspule geleitet, sodass ein elektromagnetisches Wechselfeld in deren Bereich entsteht. Dieses induziert Wirbelströme in dem zu erwärmenden Bereich des Werkstücks, sodass dieser durch Wirbelstromverluste geheizt wird. Die Induktionsspule weist mehrere Windungen auf, die voneinander beabstandet sind, wobei ein von der Induktionsspule erzeugtes Feld im Bereich der Windungen eine höhere Feldstärke aufweist als zwischen den Windungen. Hierdurch ist es insbesondere bei Werkstücken, die eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, insbesondere bei Stahlblechen, möglich, dass Bereiche eines Werkstücks, die unmittelbar den Windungen gegenüberliegend angeordnet sind, stärker erwärmt werden als solche Bereiche, die Zwischenwindungsbereichen des Induktors gegenüberliegen. Während bei Werkstücken, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, entsprechende lokale Feldinhomogenitäten durch die rasche Verteilung der Wärme im Werkstück ausgeglichen werden, kommt es bei Werkstücken mit geringerer Wärmeleitfähigkeit zu lokalen Temperaturunterschieden, die letztlich zu einer Inhomogenität im Gefüge des behandelten Werkstücks führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit Hilfe dessen eine homogene Durchwärmung eines Werkstücks, insbesondere eines Blechs, möglich ist, sodass insgesamt ein über den gesamten zu erwärmenden Bereich homogenes Gefüge resultiert. Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird.
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Das Werkstück wird mit Hilfe eines ersten Induktors und zugleich mit Hilfe eines zweiten Induktors zumindest bereichsweise erwärmt, wobei der erste und der zweite Induktor auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks angeordnet sind. Dabei sind sie – in einer Richtung parallel zu einem zu erwärmenden Flächenabschnitt des Werkstücks gesehen – so relativ versetzt zueinander angeordnet, dass Windungen des ersten Induktors – in Draufsicht gesehen – zwischen Windungen des zweiten Induktors angeordnet sind. Ist das Werkstück demnach eben ausgebildet, sind die beiden Induktoren parallel zu der durch das Werkstück definierten Ebene relativ zueinander versetzt angeordnet. Ist das Werkstück zumindest im Bereich des zu erwärmenden Flächenabschnitts gekrümmt ausgebildet, folgt der Versatz der Induktoren vorzugsweise dem Verlauf des gekrümmten Flächenabschnitts, um die gewünschte, gestaffelte Anordnung der Windungen sicherzustellen.
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Der Induktor umfasst eine Induktionsspule, deren Zu- und Ableitung für den elektrischen Strom, und gegebenenfalls Befestigungsmittel zur Befestigung der Induktionsspule an einer Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken. Insoweit als hier kurz Windungen eines Induktors angesprochen sind, sind Windungen der von dem Induktor umfassten Induktionsspule gemeint.
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Der Begriff „in Draufsicht gesehen” spricht an, dass die Relativanordnung der beiden Induktoren in Projektion der Induktionsspulen auf eine parallel zu dem Werkstück orientierte oder einem gekrümmten Verlauf des Werkstücks folgenden Ebene, vorzugsweise eine Mittelebene des Werkstücks, betrachtet wird. Dabei ergeben sich bei einer Projektion der zweiten Induktionsspule in diese Ebene Windungsbereiche und Zwischenwindungsbereiche. Die erste Induktionsspule ist nun relativ zu der zweiten Induktionsspule so versetzt angeordnet, dass deren Windungsbereiche – in der Projektion – in den Zwischenwindungsbereichen der zweiten Induktionsspule angeordnet sind.
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Die seitlich zueinander versetzten Windungen der Induktoren decken vorzugsweise quasi jeweils gegenseitig den Zwischenraum zwischen den Windungen des jeweils anderen Induktors ab. Hierdurch werden lokale Inhomogenitäten in der Erwärmung des behandelten Werkstücks verhindert, weil der zu erwärmende Bereich durch den Versatz der Windungen beider Induktoren einheitlich erwärmt wird. Auf diese Weise kann eine homogene Durchwärmung des Werkstücks, insbesondere des Blechs, sowie ein letztlich resultierendes homogenes Gefüge sichergestellt werden.
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Dabei ist eine Erwärmung des Werkstücks von beiden Seiten auch insoweit vorteilhaft, als das Werkstück hierdurch schneller durchwärmt wird. Dadurch kann die von einem Induktor eingebrachte Energie reduziert werden, was sich in einer apparativen Vereinfachung und reduzierten Kosten auswirkt.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass für den ersten und den zweiten Induktor gleichartige Induktoren so ausgewählt und relativ zueinander angeordnet werden, dass möglichst viele Zwischenräume zwischen Windungen des zweiten Induktors – in Draufsicht gesehen – durch Windungen des ersten Induktors überdeckt werden. Zugleich werden möglichst viele Zwischenräume zwischen Windungen des ersten Induktors – in Draufsicht gesehen – durch Windungen des zweiten Induktors überdeckt. Besonders bevorzugt wird die Anordnung beziehungsweise Ausbildung der Induktoren so gewählt, dass alle Zwischenräume des ersten beziehungsweise zweiten Induktors von Windungen des zweiten beziehungsweise ersten Induktors abgedeckt werden. Dabei spricht der Begriff „gleichartig” insbesondere eine Form der Induktionsspulen der Induktoren und/oder eine Art beziehungsweise Form der Wicklungen derselben an. Weist beispielsweise der erste Induktor eine Induktionsspule in Form einer Kreisspirale auf, ist vorzugsweise die Induktionsspule des zweiten Induktors ebenfalls in Form einer Kreisspirale ausgebildet, sodass deren Windungen zumindest bereichsweise den Krümmungen der Zwischenwindungsbereiche des ersten Induktors folgen können, wenn die beiden Induktoren versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei werden bevorzugt auch eine Steigung sowie ein Windungsabstand der Spiralen gleich gewählt. Ist der erste Induktor rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet, ist bevorzugt auch der zweite Induktor rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet, wobei die Größe und Form der Induktionsspulen bevorzugt so aufeinander abgestimmt sind, dass die Windungen des einen Induktors quasi passgenau die Zwischenwindungsbereiche des anderen Induktors überdecken können. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, dass einer der beiden Induktoren größer ausgebildet ist als der andere Induktor, um zu gewährleisten, dass alle Zwischenwindungsbereiche des kleineren Induktors durch Windungen des größeren Induktors abgedeckt werden.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass Induktoren mit mäanderförmig angeordneten Windungen als erster und zweiter Induktor gewählt werden. Dabei sind die Induktoren besonders bevorzugt so gewählt, dass die Induktionsspulen rechteckig, insbesondere quadratische ausgebildet sind, wobei sich die Windungen parallel zu den Kanten des Rechtecks oder des Quadrats erstrecken. Diese geometrische Ausbildung der Induktoren ist besonders geeignet, um eine effiziente und möglichst vollständige Überdeckung von Zwischenwindungsbereichen des einen Induktors durch Windungen des anderen Induktors zu gewährleisten. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass Induktoren mit spiralförmig angeordneten Windungen als erster und zweiter Induktor gewählt werden. Auch hierbei ist es möglich, dass die Induktionsspulen nicht kreisspiralig, sondern rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet sind. Die Spiralform der Windungen ermöglicht es, eine Hin- und eine Rückleitung der Induktionsspule voneinander zu separieren, sodass diese nicht parallel nebeneinander verlaufen, wie dies bei der Mäanderform der Fall ist.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass als Werkstück eine Blechplatine verwendet wird. Alternativ ist es möglich, dass als Werkstück ein von einer Bandrolle, nämlich einem sogenannten Coil, abgewickeltes Blechelement verwendet wird. Die Blechplatine oder das von der Bandrolle abgewickelte Blechelement wird bevorzugt mit einer Stärke beziehungsweise Dicke gewählt, die eine hinreichende Wärmeleitung zwischen den beiden jeweils den Induktoren zugewandten Seiten des Werkstücks gewährleistet, sodass auf einer für die Erwärmung relevanten Zeitskala eine homogene Wärmeverteilung in dem Werkstück gewährleistet ist.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass als Werkstück ein Metallblech mit niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Insbesondere wird bevorzugt ein Stahlblech verwendet. Wie bereits beschrieben, realisieren sich die Vorteile des Verfahrens insbesondere in Zusammenhang mit Metallblechen mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, ganz besonders mit Stahlblechen.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der erste und/oder der zweite Induktor relativ zueinander und/oder relativ zu dem Werkstück bewegt wird/werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Werkstück relativ zu dem ersten und/oder relativ zu dem zweiten Induktor bewegt wird. Es ist also bei einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, dass nur der erste Induktor relativ zu dem zweiten Induktor und relativ zu dem Werkstück bewegt wird, während der zweite Induktor und das Werkstück relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem stillstehen. Alternativ ist es möglich, dass nur der zweite Induktor relativ zu dem ersten Induktor und zu dem Werkstück bewegt wird, während der erste Induktor und das Werkstück relativ zu dem raumfesten Koordinatensystem stillstehen. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass sowohl der erste als auch der zweite Induktor relativ zu dem Werkstück, welches relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem stillsteht, bewegt werden. Dabei ist es wiederum möglich, dass der erste und der zweite Induktor gemeinsam relativ zu dem Werkstück bewegt werden, sodass diese relativ zueinander nicht verlagert werden; es findet in diesem Fall also quasi eine Schwerpunktsbewegung der beiden Induktoren relativ zu dem Werkstück statt. Bei einer alternativen Ausführungsform werden der erste und der zweite Induktor unabhängig voneinander oder mit definierter Phasenlage relativ zueinander und relativ zu dem Werkstück bewegt. Bei wieder einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Werkstück relativ zu dem ersten Induktor bewegt wird, während dieser relativ zu dem raumfesten Koordinatensystem stillsteht. Dabei kann der zweite Induktor gemeinsam mit dem Werkstück oder zusätzlich relativ zu dem Werkstück bewegt werden. Bei wieder einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass das Werkstück relativ zu dem zweiten Induktor bewegt wird, während dieser relativ zu dem raumfesten Koordinatensystem stillsteht. Dabei ist es möglich, dass der erste Induktor gemeinsam mit dem Werkstück, oder zusätzlich relativ zu diesem bewegt wird. Es ist auch möglich, dass das Werkstück sowohl relativ zu dem ersten als auch relativ zu dem zweiten Induktor bewegt wird, während beide Induktoren relativ zu dem raumfesten Koordinatensystem stillstehen. Schließlich ist es auch möglich, dass sowohl das Werkstück als auch beide Induktoren relativ zu dem raumfesten Koordinatensystem bewegt werden.
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Die Relativbewegung erfolgt bevorzugt lokal nach Art einer Schwingung, wobei gegebenenfalls noch bestehende lokale Feldinhomogenitäten durch die Hin- und Herbewegung der Induktoren relativ zu dem Werkstück ausgeglichen werden. Es ist allerdings auch eine Relativverlagerung der Induktoren und des Werkstücks entlang einer Erwärmungsbahn möglich, um einen größeren Bereich des Werkstücks zu erwärmen, als es bei einer stationären Anordnung der Induktoren und des Werkstücks relativ zueinander möglich ist. Insbesondere kann eine oszillierende Hin- und Herbewegung einer Bewegung entlang einer Erwärmungsbahn überlagert werden.
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Insbesondere eine oszillierende Relativbewegung zwischen dem ersten und/oder zweiten Induktor und gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ relativ zu dem Werkstück ermöglicht über die versetzte Anordnung der beiden Induktoren relativ zueinander hinaus eine besonders homogene Durchwärmung des Werkstücks zur Ausbildung eines einheitlichen Gefüges.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung des Verfahrens sowie eine Anordnung zur Durchführung desselben.
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Die Figur zeigt eine Anordnung 1 zur Durchführung des Verfahrens, also zur induktiven Erwärmung eines Werkstücks 3, das hier als Blech ausgebildet ist. Die Anordnung 1 umfasst einen ersten Induktor 5, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einer Halterung 7 verlagerbar angeordnet ist. Der erste Induktor 5 umfasst eine erste Induktionsspule 9, die hier als Kreisspirale mit mäanderförmigen Windungen 11 und Zwischenwindungsbereichen 13 ausgebildet ist.
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Eine dem ersten Induktor 5 zugewandte Seite 15 des Werkstücks 3 wird durch die erste Induktionsspule 9 erwärmt, wobei sich zeigt, dass Bereiche der Seite 15, die unmittelbar den Windungen 11 gegenüberliegend angeordnet sind, stärker erwärmt werden, als solche Bereiche, die den Zwischenwindungsbereichen 13 gegenüberliegend angeordnet sind.
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Um gleichwohl eine homogene Erwärmung und letztlich ein homogenes Gefüge in dem Werkstück 3 sicherzustellen, weist die Anordnung 1 einen zweiten Induktor 17 auf, der durch eine Halterung 19 gehalten ist. Der zweite Induktor 17 umfasst eine zweite Induktionsspule 21, die ihrerseits als Kreisspirale ausgebildet ist und mäanderförmige Windungen 23 sowie Zwischenwindungsbereiche 25 aufweist. Die zweite Induktionsspule 21 beziehungsweise der zweite Induktor 17 ist/sind so angeordnet, dass sie auf eine der ersten Seite 15 des Werkstücks 3 gegenüberliegende Seite 27 wirken.
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Der erste Induktor 5 und der zweite Induktor 17 sind – in einer Richtung gesehen, die parallel zu der ersten Seite 15 und/oder der zweiten Seite 27 orientiert ist – relativ zueinander versetzt angeordnet, sodass die Windungen 23 des ersten Induktors 5 – in Draufsicht, also in Projektion auf eine Mittelebene des Werkstücks 3 gesehen – zwischen den Windungen 23 des zweiten Induktor 17, mithin in dessen Zwischenwindungsbereichen 25 angeordnet sind.
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Eine Dicke D des Werkstücks 3 ist so gewählt, dass eine Verteilung der induktiv erzeugten Wärme von der ersten Seite 15 zu der zweiten Seite 27 und umgekehrt schnell erfolgt im Vergleich zu einer charakteristischen Zeitskala der induktiven Erwärmung. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die auf der ersten Seite 15 bewirkte Erwärmung durch den ersten Induktor 5 zumindest annähernd zeitgleich auch auf die zweite Seite 27 wirkt, während die auf der zweiten Seite 27 bewirkte Erwärmung durch den zweiten Induktor 17 zumindest annähernd zeitgleich auch auf die erste Seite 15 wirkt. Hierdurch werden die Bereiche der zweiten Seite 27, welche in den Zwischenwindungsbereichen 25 angeordnet sind, effizient durch die Windungen 11 des ersten Induktors 5 erwärmt.
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Umgekehrt ist die relative Anordnung der Induktoren 5, 17 auch so gewählt, dass die Windungen 11 des ersten Induktors 5 in den Zwischenwindungsbereichen 25 des zweiten Induktors 17 angeordnet sind. Entsprechend werden die auf der zweiten Seite 27 in den Zwischenwindungsbereichen 25 angeordneten Bereiche effizient durch die Windungen 11 des ersten Induktors 5 erwärmt. Insgesamt ist so eine homogene Durchwärmung des gesamten Werkstücks 3 und damit die Ausbildung eines homogenen Gefüges sichergestellt.
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Dabei sind der erste Induktor 5 und der zweite Induktor 17 gleichartig zueinander gewählt, was insbesondere anspricht, dass die erste Induktionsspule 9 und die zweite Induktionsspule 21 die gleiche Form, hier nämlich die Form einer Kreisspirale mit mäanderförmigen Windungen 11, 23 aufweisen. So ist sichergestellt, dass die Windungen 23 der zweiten Induktionsspule 21 den Krümmungen der Zwischenwindungsbereiche 13 der ersten Induktionsspule 9 folgen können und umgekehrt.
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Um die homogene Durchwärmung des Werkstücks 3 weiter zu verbessern, ist eine Relativbewegung zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Induktor und/oder dem Werkstück 3 vorzugsweise entlang einer durch einen Doppelpfeil P gekennzeichneten Richtung bewirkbar. Besonders bevorzugt wird hierbei eine oszilierende Bewegung gewählt, deren Amplitude insbesondere auf den Windungsabstand zwischen den Windungen 11 beziehungsweise den Windungen 23 abgestimmt ist. Die Frequenz der Relativbewegung ist dabei vorzugsweise auf eine charakteristische Zeitskala abgestimmt, die sich aus der Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks 3 ergibt.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit Hilfe des Verfahrens und auch mit Hilfe der Anordnung 1 eine homogene Durchwärmung des Werkstücks 3 möglich ist, wobei ein Gefüge desselben in dem erwärmten Bereich einheitlich ausgebildet wird. Hierdurch ist eine Umformung des Werkstücks 3 in einer durch Erwärmen erweichten Zone auch mit hohen Umformgraden schadensfrei möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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