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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere Blechen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere Blechen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Anordnungen und Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Dabei geht aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 112 466.0 eine Anordnung mit einer Induktorspule hervor, die ein Versteifungselement aufweist, um einen optimalen Abstand zwischen der Induktorspule und einem zu erwärmenden Werkstück sicherzustellen. Werkstücke, insbesondere Bleche, werden durch Induktion schnell, gleichmäßig und schonend erwärmt, insbesondere um eine schadensfreie Umformung mit vergleichsweise hohen Umformgraden in den erwärmten Bereichen gewährleisten zu können. Hierzu verwendete Induktoren weisen Induktionsspulen auf, die vorzugsweise aus Kupferdraht bzw. aus einem Kupferrohr bestehen. Diese werden in der Nähe eines zu erwärmenden Bereichs des Werkstücks angeordnet und mit Wechselstrom beaufschlagt. Dabei entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches Wirbelströme in dem zu erwärmenden Werkstück induziert. Der zu erwärmende Bereich desselben wird durch Wirbelstromverluste geheizt.
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Dabei zeigt sich, dass Feldlinien des elektromagnetischen Wechselfelds in Rand- oder Kantenbereichen der behandelten Werkstücke konzentriert werden. Hierdurch werden diese Bereiche zu heiß und können schlimmstenfalls sogar schmelzen. Hinzu kommt, dass sich in Rand- und/oder Kantenbereichen der erwärmten Werkstücke ein Wärmestau ausbilden kann, der zusätzlich zu der erhöhten Feldlinienkonzentration für eine übermäßige Erhitzung verantwortlich ist. Selbst wenn die Rand- oder Kantenbereiche nicht wegschmelzen, kann deren übermäßige Erwärmung zu Inhomogenitäten in dem Gefüge des Werkstücks führen, die unerwünscht sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, Werkstücke, insbesondere Bleche, induktiv zu erwärmen, ohne dass Rand- oder Kantenbereiche derselben übermäßig erwärmt werden.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird.
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Dadurch, dass ein Abschirmelement so relativ zu dem Induktor angeordnet ist, dass eine Konzentration von Feldlinien des von dem Induktor erzeugten elektromagnetischen Feldes in einem Rand- oder Kantenbereich des erwärmten Werkstücks vermeidbar ist, wird eine übermäßige Erhitzung desselben vermieden. Damit kann der Rand- oder Kantenbereich nicht mehr abschmelzen, und auch Inhomogenitäten in dem Gefüge des Werkstücks in diesem Bereich werden vermieden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anordnung ist das Abschirmelement seitlich an einer Induktionsspule des Induktors angeordnet. Dabei umfasst der Induktor die Induktionsspule sowie deren Zu- und Ableitung für den elektrischen Strom. Weiterhin umfasst der Induktor vorzugsweise Befestigungsmittel für die Induktionsspule. Bevorzugt ist die Induktionsspule flächenförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Abschirmelement seitlich an einem äußeren Rand der Induktionsspule befestigt. Damit entfällt eine separate Positionierung für das Abschirmelement, weil dieses unmittelbar an der Induktionsspule angeordnet beziehungsweise an deren äußeren Rand befestigt ist. Die Anordnung kann demnach sehr einfach und kostengünstig ausgebildet sein. Die randständige Anordnung gewährleistet außerdem eine besonders effiziente Abschirmung von Feldlinien in Rand- oder Kantenbereichen der zu erwärmenden Werkstücke, wenn der Induktor mit dem äußeren Rand der Induktionsspule an den Rand oder die Kante des zu behandelnden Werkstücks herangefahren wird.
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Dabei wird der Induktor vorzugsweise in einem Abstand zum Rand oder zu der Kante des Werkstücks gehalten, sodass hier eine nochmals reduzierte Erwärmung auftritt. Es ist jedoch möglich, dass auch der Rand- oder Kantenbereich mit dem übrigen Werkstück gleichmäßig durchwärmt werden soll. In diesem Fall kann der Induktor auch bis ganz an den Rand oder die Kante des Werkstücks herangefahren und gegebenenfalls über diese hinaus verlagert werden. Gerade bei einer solchen Anwendung ist das Abschirmelement wesentlich, weil ansonsten eine konzentrierte Einkopplung von Feldlinien in den Rand- oder Kantenbereich erfolgt, was wiederum dessen Überhitzung zur Folge hat.
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Es wird eine Anordnung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Abschirmelement im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist. Dabei erstreckt sich vorzugsweise ein erster Schenkel des – im Querschnitt gesehen – L-förmigen Abschirmelements bezüglich seiner Längsrichtung entlang einer Seite der flächenförmig ausgebildeten Induktionsspule. Ein zweiter Schenkel des L-förmigen Abschirmelements ist vorzugsweise parallel zu einer Fläche derselben orientiert, die einem zu behandelnden Werkstück abgewandt ist. Ist im einfachsten Fall die Induktionsspule eben ausgebildet, zeigt sich damit Folgendes: Die Windungen der Induktionsspule definieren eine Ebene, welche eine dem zu behandelnden Werkstück zugewandte und eine diesem abgewandte Fläche aufweist. Außerdem weist die Induktionsspule einen seitlichen Bereich oder Randbereich auf, der ihre Ausdehnung in der durch sie definierten Ebene begrenzt. Ist die Induktionsspule im Wesentlichen rechteckig, vorzugsweise quadratisch ausgebildet, umfasst sie vier Seiten, die ihre Ausdehnung in der Ebene begrenzen. Das – im Querschnitt gesehen – L-förmig ausgebildete Abschirmelement erstreckt sich nun vorzugsweise mit einem ersten Schenkel entlang einer dieser Seiten der Induktionsspule, während der zweite Schenkel die Induktionsspule quasi auf ihrer dem Werkstück abgewandten Fläche hintergreift.
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Diese geometrische Konfiguration stellt sicher, dass von der Induktionsspule erzeugte Feldlinien effizient in das Abschirmelement eingekoppelt werden und so im Randbereich der Induktionsspule einen Verlauf nehmen, der ihre Konzentration in Rand- oder Kantenbereichen eines zu erwärmenden Werkstücks verhindert. Insbesondere können die innerhalb des Abschirmelements verlaufenden Feldlinien nicht über den Rand der Induktionsspule hinaus ausgreifen und so nicht seitlich in das zu erwärmende Werkstück einkoppeln. Vielmehr werden sie durch das Abschirmelement so abgelenkt, dass sie auf die Oberseite des zu behandelnden Werkstücks gerichtet werden.
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Dabei wird der Induktor bevorzugt so von dem Rand- oder Kantenbereich des Werkstücks versetzt angeordnet, dass eine Außenseite des Abschirmelements bündig mit dem Rand oder der Kante des Werkstücks abschließt. Insbesondere bei dieser Konfiguration wird eine seitliche Einkopplung von Feldlinien und damit deren Konzentration im Rand- oder Kantenbereich des Werkstücks effizient vermieden.
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Es wird auch eine Anordnung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Abschirmelement – in Richtung auf das Werkstück hin gesehen – bündig mit einer dem Werkstück zugewandten Fläche der Induktionsspule abschließt. Insbesondere schließt das Abschirmelement dabei bündig mit einer durch die Windungen der Induktionsspule definierten, dem Werkstück zugewandten Fläche ab. Alternativ ist es möglich, dass das Abschirmelement geringfügig zu dem Werkstück hin über diese Fläche übersteht. Vorzugsweise wird eine entsprechende Anordnung des Abschirmelements in Hinblick auf einen gewünschten Feldlinienverlauf gewählt.
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Auch wird eine Anordnung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Abschirmelement Kunststoff umfasst. Vorzugsweise besteht es aus Kunststoff. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anordnung ist das Abschirmelement als Kunststoffleiste ausgebildet, insbesondere als – im Querschnitt gesehen – L-förmige Kunststoffleiste.
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Der Kunststoff ist vorzugsweise mit ferro- und/oder paramagnetischen Partikeln durchsetzt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anordnung handelt es sich hierbei um Fluxtrol A und/oder Ferrotron 559.
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Es ist möglich, dass die Partikel stochastisch im Kunststoff verteilt sind. Dies bedingt eine besonders einfache Ausbildung der Anordnung, die auch besonders leicht und kostengünstig herstellbar ist. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Kunststoff des Abschirmelements nur innenseitig, also in einem der Induktionsspule zugewandten Bereich mit den Partikeln durchsetzt ist.
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Jedenfalls stellen die Partikel eine effiziente Um- beziehungsweise Ablenkung der Feldlinien sicher, sodass diese nicht seitlich in einen Rand- oder Kantenbereich des zu behandelnden Werkstücks eingekoppelt werden, sondern vielmehr auf eine dem Induktor zugewandte Oberseite des Werkstücks gerichtet sind.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere von Blechen mit den Schritten des Anspruchs 6 geschaffen wird. Dabei wird ein Werkstück, insbesondere ein Blech, mit mindestens einem Induktor induktiv erwärmt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Abschirmelement verwendet wird, um eine Konzentration von Feldlinien eines von dem Induktor erzeugten elektromagnetischen Feldes in einem Rand- oder Kantenbereich des erwärmten Werkstücks zu vermeiden. Insbesondere wird ein Abschirmelement gewählt und geeignet angeordnet, sodass eine entsprechende Feldlinienkonzentration effizient vermeidbar ist. Es ergeben sich insoweit die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Anordnung beschrieben wurden.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem zur induktiven Erwärmung des Werkstücks eine Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet wird. Dabei realisieren sich in besonders ausgeprägtem Maße die bereits zuvor beschriebenen Vorteile.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1a) eine schematische Darstellung einer Anordnung zur induktiven Erwärmung eines Werkstücks ohne Abschirmelement gemäß einem ersten Beispiel;
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1b) die Anordnung gemäß 1a) mit einem Abschirmelement, wobei eine Konzentration von Feldlinien in einem Randbereich des Werkstücks vermieden wird;
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2a) eine Anordnung zur Erwärmung eines Werkstücks ohne Abschirmelement gemäß einem zweiten Beispiel;
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2b) die Anordnung gemäß 2a) mit einem Abschirmelement, wobei eine Feldlinienkonzentration in einem Kantenbereich des Werkstücks vermieden wird, und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einem Induktor und einem Abschirmelement.
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1a) zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 1 zum induktiven Erwärmen eines Werkstücks 3, das hier als Blech ausgebildet ist. Die Anordnung 1 umfasst einen Induktor 5, von dem hier lediglich – im Querschnitt gesehen – eine Windung 7 einer Induktionsspule 9 dargestellt ist. Indem die Induktionsspule 9 mit Wechselstrom beaufschlagt wird, wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei ein Verlauf von dessen Feldlinien 11 hier schematisch angedeutet ist.
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Die Anordnung 1 gemäß 1a) weist kein Abschirmelement auf. Dadurch greifen die Feldlinien 11 seitlich – in 1a) nach rechts gesehen – relativ weit über den Bereich der Induktionsspule 9 aus und dringen in einen Randbereich 13 des Werkstücks 3 seitlich ein. Auf diese Weise ergibt sich eine Feldlinienkonzentration in dem Randbereich 13, was dort zu einer lokalen Überhöhung der Temperatur führt. Zugleich ist die Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks 3 in dem Randbereich 13 im Vergleich zu mittleren Bereichen herabgesetzt, weil die Wärme jedenfalls nicht seitlich – in 1a) nach rechts – abfließen kann. Es ergibt sich so eine Wärmestauung, was weiter zur Überhitzung und gegebenenfalls sogar zum Abschmelzen des Randbereichs 13 beiträgt. Außerdem besteht die Gefahr, dass ein Gefüge des Werkstücks 3 in dem Randbereich 13 aufgrund der Temperaturerhöhung anders ausgebildet ist als in mittleren Bereichen des Werkstücks 3 und insbesondere Inhomogenitäten aufweist.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bei der in 1b) dargestellten Anordnung 1 ein Abschirmelement 15 vorgesehen. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das Abschirmelement 15 ist so relativ zu dem Induktor 5 angeordnet, dass eine Konzentration der Feldlinien 11 in dem Randbereich 13 vermieden wird. Vielmehr werden diese so abgelenkt, dass sie auf eine Oberfläche 17 des Werkstücks 3 gerichtet sind und von dort in dieses eingekoppelt werden.
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Es zeigt sich, dass das in 1b) im Querschnitt dargestellte Abschirmelement im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist. Dabei erstreckt sich ein erster Schenkel 19 des Abschirmelements 15 – senkrecht zur Bildebene von 1b) – entlang einer Seite der Induktionsspule 9, während ein zweiter Schenkel 21 parallel zu einer dem Werkstück 3 abgewandten Fläche 23 der Induktionsspule 9 orientiert ist, wobei er diese quasi auf der dem Werkstück 3 abgewandten Seite hintergreift. Diese Geometrie ist besonders günstig, um die gewünschte Ablenkung der Feldlinien 11 in das Abschirmelement 15 und deren Ausrichtung auf die Oberfläche 17 zu bewirken.
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Der erste Schenkel 19 schließt hier – in einer Richtung auf das Werkstück 3 hin gesehen – bündig mit einer unteren Fläche 25 der Induktionsspule 9 ab. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste Schenkel 19 geringfügig über die untere Fläche 25 in Richtung auf das Werkstück 3 beziehungsweise dessen Oberfläche 17 hin vorsteht. Dabei spricht der Begriff „geringfügig” an, dass der erste Schenkel 19 in einen zwischen der Induktionsspule 9 und der Oberfläche 17 gebildeten Spalt hineinragt, ohne jedoch die Oberfläche 17 zu berühren.
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Gleichwohl ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem der erste Schenkel 19 quasi als Distanzelement eingesetzt wird, um den Abstand der unteren Fläche 25 von der Oberfläche 17 zu definieren. In diesem Fall wird der Induktor 5 mit dem über die untere Fläche 25 überstehenden ersten Schenkel 19 auf die Oberfläche 17 aufgesetzt.
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Anhand von 1b) zeigt sich auch, dass der Induktor 5 vorzugsweise so relativ zu dem Randbereich 13 positioniert wird, dass eine Seitenfläche 27 des Abschirmelements 15 bündig mit dem Randbereich 13 abschließt beziehungsweise mit diesem fluchtet. Alternativ ist es möglich, den Induktor 5 stets in einem vorher bestimmten Abstand – in 1b) nach links gesehen – von dem Randbereich 13 zu halten, um die Erwärmung in diesem Bereich weiter zu reduzieren.
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Ist dagegen gefordert, dass auch der Randbereich 13 mit dem übrigen Werkstück 3 gleichmäßig durchwärmt wird, kann auch vorgesehen sein, dass der Induktor 5 zumindest zeitweise mit der Seitenfläche 27 über den Randbereich 13 hinaus – in 1b) nach rechts – verlagert wird, um zumindest zeitweise eine höhere Feldlinienkonzentration in dem Randbereich 13 zu erreichen.
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Das Abschirmelement 15 ist vorzugsweise als Kunststoffleiste ausgebildet, die mit ferro- und/oder paramagnetischen Partikeln, insbesondere mit Fluxtrol A und/oder Ferrotron 559, durchsetzt ist.
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2a) zeigt ein weiteres Beispiel einer Anordnung 1 ohne Abschirmelement, wobei das Werkstück 3 hier einen Kantenbereich 29 aufweist, in dem ein erster Schenkel 31 und ein zweiter Schenkel 33 des Werkstücks 3 aufeinandertreffen. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In 2a) sind zwei Windungen 7 der Induktionsspule 9 dargestellt. Anhand einer einzigen hier schematisch dargestellten Feldlinie 11 wird deutlich, dass die Feldlinien des elektromagnetischen Feldes in den zweiten Schenkel 33 eingekoppelt werden und über den Kantenbereich 29 in den ersten Schenkel 31 verlaufen. Dabei werden die Feldlinien in dem Kantenbereich 29 konzentriert, sodass dieser im Vergleich zu dem restlichen Werkstück 3 eine erhöhte Temperatur erreicht.
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2b) zeigt schematisch die Anordnung 1 gemäß 2a), allerdings mit dem Abschirmelement 15. Genau wie bereits anhand von 1b) erläutert, zeigt sich auch hier, dass die Feldlinien 11 durch das Abschirmelement 15 abgelenkt und auf die dem Induktor 5 zugewandte Oberfläche 17 des Werkstücks 3 gerichtet werden. Damit wird eine Feldlinienkonzentration in dem Kantenbereich 29 vermieden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Induktors 5. Dieser umfasst die Induktionsspule 9, die hier vier Windungen 7 aufweist, die in einer Ebene angeordnet sind beziehungsweise eine Ebene definieren. Die Induktionsspule 9 ist quadratisch ausgebildet und weist daher vier Seiten 35, 37, 39, 41 auf. Außerdem weist sie die dem hier nicht dargestellten Werkstück 3 zugewandte, untere Fläche 25 sowie die dem Werkstück abgewandte Fläche 23 auf.
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Das Abschirmelement 15 ist hier an der Seite 41 vorgesehen und auch dort befestigt. Insbesondere ist es an der äußeren Windung 7 der Induktionsspule 9 befestigt. Es ist – im Querschnitt gesehen – im Wesentlichen L-förmig ausgebildet mit dem ersten Schenkel 19 und dem zweiten Schenkel 21. Dabei ist in 3 klar dargestellt, dass der erste Schenkel 19 sich entlang der Seite 41 der flächenförmig ausgebildeten Induktionsspule 9 erstreckt, wobei der zweite Schenkel 21 parallel zu der dem nicht dargestellten Werkstück 3 abgewandten Fläche 23 orientiert ist beziehungsweise diese hintergreift.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mit Hilfe des Abstandselements 15 möglich ist, eine Konzentration der Feldlinien 11 in dem Randbereich 13 oder dem Kantenbereich 29 zu vermeiden, sodass diese Bereiche weder abgeschmolzen werden noch ein von dem restlichen Werkstück 3 abweichendes Gefüge erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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