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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum konduktiven Erwärmen eines Blechs, wobei das Blech oder zumindest ein konduktiv zu erwärmender Bereich des Blechs eine äußere Kontur hat, die nicht rechteckförmig ist, gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine konduktive Erwärmungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum konduktiven Erwärmen eines Blechs gemäß dem Anspruch 11.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Metallbearbeitung, insbesondere der Herstellung von Teilen aus Blech, wie z. B. Fahrzeug-Karosserieteile. Die Fertigung solcher Blech-Formteile erfolgt z. B. auf Fertigungsstraßen, wie z. B. Serienpressstraßen. Solche Fertigungsstraßen weisen üblicherweise Umformeinrichtungen und Beschneideinrichtungen sowie gegebenenfalls Einrichtungen zur Durchführung weiterer Verfahren, wie z. B. Formeigenschaftsänderungen, Beschichtung, Presshärtung etc. auf, die prozesstechnisch miteinander verbunden sind. In vielen Fällen sollen dabei Bauteile aus hoch- bzw. höchsfestem Material hergestellt werden.
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Beim Presshärten wird ein Blech auf eine Temperatur von ca. 950°C erwärmt und während der Formgebung abgekühlt. Durch gezielte Abkühlung (Härten) während des Presshärtens über gekühlte Presswerkzeuge kann ein martensitisches Gefüge geschaffen werden, dass zu den gewünschten Werkstoffeigenschaften führt, z. B. zu einer Zugfestigkeit von über 1.500 MPa Dehnungen im Bereich von > 5 %. Nachteilig bei solchen Erwärmungsprozessen sind die relativ langen Erwärmungszeiten, die bei der konventionellen Erwärmung z. B. in Rollenherdöfen auftreten. Als Folge der langen Erwärmungszeiten kommt es zu einer Zunderbildung am Material (Abbrand von Material), was ebenfalls nachteilig ist. Um dem entgegenzuwirken, werden dem Stand der Technik folgend Beschichtungen auf den Bauteiloberflächen aufgebracht, die während der Ofenerwärmung in das Bauteil hinein diffundieren. Die Herstellung der Beschichtungen ist mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden.
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Eine Alternative zur konventionellen, relativ lange dauernden Erwärmung ist die Erwärmung eines Blechs durch einen konduktiven Erwärmungsprozess. Dabei wird das Blech durch Anlegen eines elektrischen Stroms durch die dabei entstehende Stromwärme erwärmt. Bei entsprechend großen elektrischen Strömen kann ein typischer Aufwärmprozess in weniger als 10 Sekunden durchgeführt werden, was den Vorteil hat, dass sich in der kurzen Zeit keine nennenswerten Zunderschichten bilden können, was wiederum den Vorteil hat, dass keine Zunderschutzbeschichtungen erforderlich sind. Ein konduktiver Erwärmungsprozess von Metallblechen ist z. B. in der
DE 10 2006 037 637 A1 beschrieben.
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Die Vorschläge aus dem Stand der Technik sind bisher in der Praxis nur sehr begrenzt anwendbar, weil sie sich nur für Erwärmungsprozesse von nahezu rechteckigen Bauteilen oder rechteckigen Teilbereichen von Bauteilen eignen. Viele in der Praxis zu fertigende Bauteile, z. B. Karosseriebauteile bei Kraftfahrzeugen, weisen jedoch nicht diese ideale Rechteckform des zu erwärmenden Blechs oder eines zu erwärmenden Bereichs des Blechs auf. Vielmehr sind viele Bauteile unregelmäßig geformt. Bei Anwendung der Vorschläge aus dem Stand der Technik wäre eine ungleichmäßige Erwärmung des Bauteils die Folge, was wiederum nicht zu den gewünschten Fertigungsergebnissen führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum konduktiven Erwärmen eines Blechs anzugeben, wobei das Blech oder zumindest ein konduktiv zu erwärmender Bereich des Blechs eine äußere Kontur hat, die nicht rechteckförmig ist, mit dem dennoch eine gleichmäßige Erwärmung des zu erwärmenden Bereichs erzielt werden kann. Das Blech heißt in der Terminologie des Fachmanns auch Platine und der nicht-rechteckige Platinenzuschnitt heißt Formplatine. Ferner soll eine hierfür geeignete konduktive Erwärmungseinrichtung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zum konduktiven Erwärmen eines Blechs, wobei das Blech oder zumindest ein konduktiv zu erwärmender Bereich des Blechs eine äußere Kontur hat, die nicht rechteckförmig ist, wobei eine an die äußere Kontur angepasste Anordnung von Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden geschaffen wird, die stückweise voneinander getrennt entlang der äußeren Kontur angeordnet werden und mit voneinander elektrisch getrennten elektrischen Energiequellen verbunden werden, die derart dimensioniert sind, dass zwischen allen Paaren von einander zugeordneten Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden im Wesentlichen gleiche Stromdichten in dem Blech erzeugt werden. Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine an die äußere Kontur des Blechs bzw. des zu erwärmenden Bereichs des Blechs maßgeschneidert angepasste Anordnung von Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden geschaffen wird, die stückweise getrennt entlang der äußeren Kontur angeordnet werden und von elektrisch getrennten elektrischen Energiequellen beaufschlagt werden. So kann z. B. die äußere Kontur des zu erwärmenden Bereichs in einzelne wiederum rechteckige Flächenabschnitte oder zumindest im Wesentlichen rechteckige Flächenabschnitte aufgeteilt werden und für jeden Flächenabschnitt eine angepasste Stromzuleitungs- und Stromableitungselektrode geschaffen werden, mit denen genau dieser Bereich mit der gewünschten Stromdichte beaufschlagt wird. In einem benachbarten, ebenfalls im Wesentlichen rechteckförmig definierten Flächenabschnitt kann ein weiteres Paar von Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden angeordnet werden und über eine zweite elektrische Energiequelle mit einer angepassten Spannung oder einem angepassten Strom beaufschlagt werden, sodass die gleiche Stromdichte erzeugt wird wie in dem benachbarten, zuvor angegebenen Flächenabschnitt. Auf diese Weise kann der gesamte zu erwärmende Bereich in im Wesentlichen rechteckige Flächenabschnitte unterteilt werden und in jedem Flächenabschnitt die gleiche Stromdichte erzeugt werden. Durch Erzeugung der gleichen Stromdichten in allen Flächenabschnitten werden Querströme zwischen den Flächenabschnitten vermieden und damit wiederum undefinierte Erwärmungsergebnisse verhindert. Die Stromdichte stellt sich aufgrund der Widerstandsverhältnisse zwangsläufig ein und kann grundsätzlich nicht homogen erzwungen werden. Nur eine homogene Stromdichte erwirkt aber homogene Erwärmung, da immer die gleiche Leistung pro Fläche umgesetzt wird. Hier wird der Ansatz verfolgt, die Widerstandsverhältnisse in der Formplatine durch die beschriebene Art und Weise so einzustellen, dass homogene Stromdichten resultieren. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige konduktive Erwärmung auch eines unregelmäßig geformten Blechs oder eines unregelmäßig geformten zu erwärmenden Bereichs des Blechs realisiert werden. Durch die Erfindung kann somit der konduktive Erwärmungsprozess mit seinen Vorteilen universell für beliebig geformte Bleche einsetzbar gemacht werden. Zur Erzeugung nahezu gleicher, homogener Stromdichten kann dabei das Blech als Widerstand angesehen werden, in dem der über die Elektroden zugeführte Strom fließt.
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Mit der Erfindung können Bleche nahezu zunderfrei auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Der Erwärmungsprozess kann in einem Zeitraum von 10 Sekunden oder weniger durchgeführt werden. Die Erwärmungsdauer kann dabei durch die Größe der Stromzufuhr festgelegt werden. Grundsätzlich gilt, je mehr Strom durch das Blech geführt wird, desto schneller kann die Erwärmung durchgeführt werden.
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Als Blech kommt jedes Blech aus elektrisch leitfähigem Metall in Frage, wie z. B. Stahl-, Aluminium- und Magnesiumbleche. Das Blech weist dabei in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine gleichbleibende Materialdicke auf, zumindest bevor es nach dem konduktiven Erwärmungsprozess weiter bearbeitet wird und dabei gegebenenfalls umgeformt wird.
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Eine Stromzuleitungselektrode dient dabei zum Einleiten elektrischen Stroms von der elektrischen Energiequelle in das Blech. Eine Stromableitungselektrode dient zum Ableiten des Stroms von dem Blech zurück zur elektrischen Energiequelle. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die elektrischen Energiequellen derart dimensioniert, dass über alle Paare von einander zugeordneten Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden gleiche Stromdichten von den Stromzuleitungselektroden in das Blech eingeleitet und über die Stromableitungselektroden von dem Blech abgeleitet werden.
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Die Anzahl der verwendeten Stromzuleitungselektroden kann gleich oder ungleich der Anzahl der verwendeten Stromableitungselektroden sein. Bei gleicher Anzahl ist es vorteilhaft, wenn jeweils eine Stromzuleitungselektrode und eine Stromableitungselektrode ein Paar solcher Elektroden, die jeweils an dieselbe elektrische Energiequelle angeschlossen sind, bilden. Es ist auch möglich, z. B. zwei Stromzuleitungselektroden elektrisch miteinander zu verbinden oder zwei Stromableitungselektroden elektrisch miteinander zu verbinden. Die jeweils nicht miteinander verbundenen Elektroden sind dann an verschiedene elektrische Energiequellen mit unterschiedlicher Spannung verbunden, sodass wiederum gleiche Stromdichten in benachbarten Flächenbereichen in dem Blech erzeugt werden können.
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Die voneinander elektrisch getrennten elektrischen Energiequellen müssen dabei zumindest an einem ihrer Anschlüsse (Plus oder Minus) voneinander elektrisch getrennt sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die mehreren Energiequellen untereinander nicht verbunden und nicht geerdet. Hierdurch "schwimmt“ sich das Potential der benachbarten Energiequellen an der Berührungslinie ein, ähnlich wie bei mehreren gleichzeitig betriebenen Punktschweißungen an einer Fahrzeugkarosserie. Das "Einschwimmen" ist ein bekannter Begriff aus der Widerstandsschweißtechnik.
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Zur Sicherstellung der gleichen Stromdichten in dem Blech ist es ferner vorteilhaft, wenn zwischen einem Paar von einander zugeordneten Stromableitungs- und Stromzuleitungselektroden keine andere Elektrode angeordnet wird, über die dem Blech von einer weiteren elektrischen Energiequelle Strom zugeleitet oder von dem Blech Strom zu einer weiteren elektrischen Energiequelle abgeleitet wird. Hierdurch werden Unregelmäßigkeiten in der gewünschten gleichen Stromdichte in dem Blech vermieden.
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Wie erwähnt, kann der konduktiv zu erwärmende Bereich in im Wesentlichen rechteckige Flächenabschnitte aufgeteilt werden. Der konduktiv zu erwärmende Bereich kann auch in trapezförmige Flächenabschnitte oder im Wesentlichen trapezförmige Flächenabschnitte aufgeteilt werden. Auch eine Kombination ist vorteilhaft, d.h. eine Aufteilung des konduktiv zu erwärmenden Bereichs in rechteckige und/oder trapezförmige Flächenabschnitte. Zur Erreichung gleicher Stromdichten in trapezförmigen Flächenabschnitten wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Paar von Blechen durch mehrere elektrisch gegeneinander isolierte, nebeneinander entlang eines Übergangsbereichs von einem zum anderen Blech in deren jeweils trapezförmigen Flächenabschnitten angeordneten Übertragungselektroden miteinander elektrisch verbunden. Durch entsprechend gegensätzliche Anordnungen des einen Blechs gegenüber dem anderen Blech kann auf diese Weise bzgl. der zwei mittels der Übergangselektroden verbundenen trapezförmigen Flächenabschnitte wiederum ein insgesamt rechteckförmiger Flächenabschnitt geschaffen werden, an den an einer Seite wenigstens eine Stromzuleitungselektrode und an der anderen Seite wenigstens eine Stromableitungselektrode angeschlossen werden kann. Auf diese Weise wird die Flexibilität und Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht. Vorteilhaft ist es dabei, trapezförmige Flächenabschnitte der Bleche mit gleicher oder spiegelsymmetrischer äußerer Kontur miteinander über die Übergangselektroden zu verbinden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können auch trapezförmige Flächenabschnitte desselben Blechs paarweise elektrisch miteinander über die Übertragungselektroden miteinander elektrisch verbunden werden, um sich elektrisch dann wie ein rechteckförmiger Flächenabschnitt zu verhalten. Hierzu sind die trapezförmigen Flächenabschnitte geeignet einzuteilen, insbesondere mit gleichen Winkeln abgeschrägter Seiten.
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Im Ergebnis können somit auch bei trapezförmigen Flächenabschnitten auf diese Weise homogene Widerstandsverhältnisse analog zu rechteckförmigen Blechen realisiert werden.
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Gemäß der Lehre der Erfindung werden damit vielfältig kompliziert geformte Bleche auf eine Rechteckform bzw. eine Kombination von Rechteckformen zurückgeführt, sodass mit geringem operativem Aufwand gleiche Stromdichten erzeugt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine, mehrere oder alle Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden jeweils als längliche, sich mit ihrer größten Abmessung über einen Abschnitt der äußeren Kontur des konduktiv zu erwärmenden Bereichs erstreckende Elektroden ausgebildet, die jeweils nur an einem Ende mit einer elektrischen Zuleitung mit der elektrischen Energiequelle verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Energie an einer definierten Stelle der Elektrode eingespeist bzw. abgeführt wird. Dies vereinfacht die Berechnung und Auslegung der erforderlichen Elektroden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Paar von Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden an diagonal gegenüberliegenden Enden mit der elektrischen Energiequelle verbunden. Dies hat den Vorteil, dass sich für jede Stromlinie des durch das Blech fließenden Stroms derselbe Gesamtwiderstand ergibt, da jeweils ein mehr oder weniger großer Anteil der Stromzuleitungs- und Stromableitungselektrode durchflossen werden muss und diese Anteile für jede Stromlinie in Summe immer denselben Wert ergeben. Auch hierdurch kann das Ziel einer gewünschten gleichen Stromdichte in dem Blech gefördert werden. Es gilt: Gesamtwiderstand = Innenwiderstand der Stromquelle + Widerstände Zuleitungen + Elektroden + Blech.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine, mehrere oder alle Stromzuleitungs-, Stromableitungs- und/oder Übertragungselektroden als mit einem Kühlmedium gekühlte Elektroden ausgebildet. So kann als Kühlmedium z. B. durch einen Hohlkanal der jeweiligen Elektrode Kühlwasser geleitet werden. Die Kühlung der Elektroden hat den Vorteil, dass sich diese nicht unerwünscht erhitzen und eine erwärmungsbedingte Widerstandsänderung der Elektroden vermieden wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die gekühlten Elektroden auch das angrenzende Blech gekühlt wird, sodass durch entsprechende Anordnung der Elektroden an gewünschten, nicht zu erwärmenden Bereichen des Blechs eine Erwärmung und eine damit einhergehende Härtung vermieden werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass durch die Lage und Anordnung der Elektroden z. B. Schnittbereiche bei der späteren Weiterverarbeitung des Bauteils, d.h. des Blechs nach der Umformung, definiert werden können, die nicht gehärtet sind. Auf diese Weise kann ein Randbeschneiden mit konventionellen Werkzeugen erfolgen, z. B. durch das sehr wirtschaftlich anwendbare Scherschneiden. Ein aufwendigeres Hartbeschneiden ist nicht erforderlich. Auch für ein Fügen des Bauteils in späteren Schweißprozessen ist es günstig, nicht gehärtete Randbereiche zu haben. Eine Härtung kann durch einen anschließenden Presshärteprozess erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die konduktive Erwärmung mittels Gleichstrom durchgeführt. Dies hat im Vergleich zu Wechselstrom den Vorteil, dass elektrische Verluste und sonstige nachteilige Effekte durch im System vorhandene Induktivitäten und Kapazitäten ausgeschlossen werden können. Es wird dadurch auch keine Blindleistung erzeugt. Die vorhandene elektrische Leistung kann vollständig in Form von Wirkleistung genutzt werden. Durch den Entfall induktiver Verluste können Leitungsquerschnitte und elektrische Energiequellen, z. B. Transformatoren, kleiner dimensioniert werden. Zudem wird Energie gespart. Die elektrischen Energiequellen können z. B. dreiphasig aus dem Drehstromnetz versorgt werden. Auch die Berechnung und Auslegung des gesamten Systems, insbesondere der Elektroden und deren Anordnung, vereinfacht sich, weil mit den einfacheren, für Gleichstrom geltenden elektrotechnischen Gesetzmäßigkeiten gearbeitet werden kann.
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Durch die Erfindung kann auf komplizierte Steuerungen für die Erzeugung gleichmäßiger Stromdichten im Blech verzichtet werden. Hierdurch kann die konduktive Erwärmungseinrichtung vergleichsweise einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden eine, mehrere oder alle Stromzuleitungs-, Stromableitungs- und/oder Übertragungselektroden während des konduktiven Erwärmungsprozesses voneinander fortbewegt, um das Blech zu strecken. Hierdurch kann eine erwärmungsbedingte Ausdehnung des erwärmten Bereichs des Blechs während des Erwärmungsprozesses kompensiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Stromzuführung zu einer Stromzuleitungselektrode, zur Stromübertragung von oder zu einer Übertragungselektrode und/oder zur Stromableitung von einer Stromableitungselektrode ein Parallelleiter an diese Elektrode angeschlossen, der über einen Teil des zu erwärmenden Blechs parallel zu den Stromlinien darin fließender Ströme gegenüber dem Blech elektrisch isoliert über das Blech geführt wird. Der Parallelleiter kann insbesondere an einem Randbereich eines zu erwärmenden rechteckigen oder trapezförmigen Flächenabschnitts geführt sein.
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Dies hat den Vorteil, dass durch entsprechende Anordnung eines solchen Parallelleiters bestimmte Bereiche des Blechs von einer Erwärmung ausgeschlossen werden können und zugleich die Stromlinien in einem dem Parallelleiter benachbarten zu erwärmenden Flächenabschnitt in der gewünschten Richtung geführt werden können. Insbesondere kann ein unerwünschter Stromfluss durch den nicht zu erwärmenden Bereich des Blechs durch Stromverdrängungseffekte (Abstoßung von parallel angeordneten stromdurchflossenen Leitern) vermieden werden. Die Feldlinien stoßen sich ebenfalls ab. Auf diese Weise können z. B. sogenannte Tailored Tempered Blanks hergestellt werden, d. h. Bleche, die nur in bestimmten, gewünschten Bereichen gehärtet sind und in anderen Bereichen ungehärtet bleiben. Dies ist z. B. bei Fahrzeugkarosserieteilen zum Erzeugen eines bestimmten Verformungsverhaltens im Crashfall gewünscht. Der Parallelleiter muss elektrisch isoliert sein, aber nicht unbedingt thermisch. Auf diese Weise kann der Parallelleiter eine erwünschte Kühlung des Blechs bewirken.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine, mehrere oder alle Parallelleiter als mit einem Kühlmedium gekühlte Leiter ausgebildet.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 11 gelöst durch eine konduktive Erwärmungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum konduktiven Erwärmen eines Blechs, wobei das Blech oder zumindest ein konduktiv zu erwärmender Bereich des Blechs eine äußere Kontur hat, die nicht rechteckförmig ist, wobei die konduktive Erwärmungseinrichtung eine an die äußere Kontur angepasste Anordnung von Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden aufweist, die stückweise voneinander getrennt entlang der äußeren Kontur angeordnet sind und über separate elektrische Zuleitungen mit voneinander elektrisch getrennten elektrischen Energiequellen verbunden oder verbindbar sind, wobei die elektrischen Energiequellen derart dimensioniert sind, dass zwischen allen Paaren von einander zugeordneten Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden gleiche Stromdichten in dem Blech erzeugt werden. Mit der konduktiven Erwärmungseinrichtung sowie den nachfolgend genannten weiteren Ausgestaltungen der konduktiven Erwärmungseinrichtung können ebenfalls die zuvor bezüglich des Verfahrens zum konduktiven Erwärmen genannten Vorteile realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die konduktive Erwärmungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art eingerichtet. So können z. B. die elektrischen Energiequellen als Gleichstromquellen ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die konduktive Erwärmungseinrichtung eine Streckvorrichtung auf, die zum Strecken des Blechs zumindest in dem konduktiv erwärmten Bereich während des Erwärmungsprozesses eingerichtet ist. Die Streckvorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, während des konduktiven Erwärmungsprozesses bestimmte Stromzuleitungs-, Stromableitungs- und/oder Übertragungselektroden voneinander fortzubewegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Elektrodenanordnung der konduktiven Erwärmungseinrichtung Übertragungselektroden zur Stromübertragung zwischen zwei in der konduktiven Erwärmungseinrichtung gleichzeitig erwärmten Blechen auf.
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Unter Anwendung der zuvor erläuterten konduktiven Erwärmungseinrichtung kann ein Verfahren zum konduktiven Erwärmen eines Blechs z. B. derart durchgeführt werden, dass das zu erwärmende Blech in der konduktiven Erwärmungseinrichtung angeordnet wird, dann Elektroden der konduktiven Erwärmungseinrichtung auf das Blech gepresst werden und dann der elektrische Stromfluss durch das Blech über die Elektroden eingeschaltet wird, um die konduktive Erwärmung durchzuführen, und nach ausreichender Erwärmung die Elektroden wieder vom Blech entfernt werden, wobei es vorteilhaft ist, zuvor den Stromfluss abzuschalten. Das Blech kann dann im erwärmten Zustand weiter verarbeitet werden, z. B. durch Pressen in eine gewünschte Form gebracht werden.
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Zur Bereitstellung des Gleichstroms kann eine elektrische Energiequelle z. B. einen Schweißgleichrichter aufweisen. Auf diese Weise kann auf einfache und kostengünstige Weise der erforderliche Gleichstrom in der gewünschten Höhe von mehreren Tausend Ampere bereitgestellt werden.
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Die Stromzuleitungs-, Stromableitungs- und/oder Übertragungselektroden können z. B. aus Kupfer oder legiertem Kupfer hergestellt sein, z. B. aus CuCoBe oder CuBe2. Insbesondere mit den letztgenannten Legierungen können sehr harte, robuste Elektroden bereitgestellt werden. Die genannten Parallelleiter können aus demselben Material oder einem anderen Material hergestellt werden. Für die elektrische Isolation der Parallelleiter können diese z. B. an der Oberfläche eine plasmagespritzte Keramikschicht aufweisen.
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Der konduktive Erwärmungsprozess kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wärmegekapselt durchgeführt werden. Dabei werden die Bleche durch eine äußere Wärmekapselung, z. B. eine Wärmeisolierung der konduktiven Erwärmungseinrichtung, thermisch von der Umgebung abgeschirmt. Hierdurch wird die Wärmestrahlung in die Umgebung reduziert und damit Kosten und Erwärmungszeit eingespart. Versuche haben gezeigt, dass einfache Wärmeabschirmplatten schon gute Vorteile bieten. Eine Isolierung wie im Ofenbau ist noch besser. Hierdurch können auch Umwelteinflüsse für den Erwärmungsprozess ausgeschlossen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Blech-Rohteil zur Herstellung einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs und
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2 zwei Blech-Rohteile gemäß 1 und
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3 eine konduktive Erwärmungseinrichtung sowie die zwei Blech-Rohteile gemäß 2 und
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4 eine weitere konduktive Erwärmungseinrichtung sowie die zwei Blech-Rohteile gemäß 2 und
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5 die Anordnung eines Parallelleiters auf einem Blech in Querschnittsdarstellung und
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6 eine weitere konduktive Erwärmungseinrichtung sowie die zwei Blech-Rohteile gemäß 2 und
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7 eine weitere konduktive Erwärmungseinrichtung sowie die zwei Blech-Rohteile gemäß 2.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt in Draufsicht ein in eine bestimmte Form geschnittenes Blech 1, das z. B. aus einem Stahlcoil ausgeschnitten ist. Es handelt sich um ein Rohbauteil für eine B-Säule eines Kraftfahrzeugs vor dem Umformen in einer Presse. Um das Blech 1 mit gleichmäßiger Stromdichte im gesamten Bereich konduktiv zu erwärmen, wird das Blech 1 zunächst in im Wesentlichen rechteckförmige Flächenabschnitte 2, 4 und einen im Wesentlichen trapezförmigen Flächenabschnitt 3 unterteilt. Entsprechend der Unterteilung in die Flächenabschnitte 2, 3, 4 werden Elektroden einer Elektrodenanordnung einer konduktiven Erwärmungseinrichtung maßgeschneidert hergestellt, die dann zur Durchführung des konduktiven Erwärmungsprozesses mit dem Blech 1 verbunden werden.
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Zur weiteren Optimierung des Fertigungsprozesses im Fall von nicht-rechteckförmigen Flächenabschnitten, die sich aus der zuvor erläuterten Unterteilung ergeben, in diesem Fall dem Flächenabschnitt 3, werden in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zwei Bleche 1 gleichzeitig in der konduktiven Erwärmungseinrichtung erwärmt. Dafür werden die zwei Bleche 1 zunächst wie in 2 dargestellt angeordnet und die erforderlichen Elektroden entsprechend geschaffen.
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Die 3 zeigt die in 2 dargestellten Bleche 1, die gemäß 3 noch etwas näher aneinander angeordnet sind, in einer konduktiven Erwärmungseinrichtung 10. Die konduktive Erwärmungseinrichtung 10 weist die zuvor erwähnte maßgeschneidert hergestellte Elektrodenanordnung auf, die Stromzuleitungselektroden 11, 12, 13, 14, 15, Stromableitungselektroden 16, 17, 18, 19, 20 und Übertragungselektroden 31 aufweist. An den rechteckförmigen Flächenabschnitten 2, 4 der Bleche 1 sind jeweilige Paare von jeweils einer Stromzuleitungselektrode und einer Stromableitungselektrode, wie in 3 dargestellt, angeschlossen und mit jeweils einer eigenen elektrischen Energiequelle 21, 22, 23, 24, 25, z. B. einem Transformator mit angeschlossenem Gleichrichter zur Bereitstellung von Gleichstrom, verbunden bzw. über einen in der 3 nicht dargestellten elektrischen Schalter verbindbar. Der Stromfluss zwischen den jeweiligen Elektroden ist durch die auf dem jeweiligen Blech 1 dargestellten Pfeile wiedergegeben, die Stromlinien darstellen. Im mittleren Bereich der Bleche 1, nämlich in den beiden trapezförmigen Flächenabschnitten 3, ist an dem rechts dargestellten Blech 1 eine Stromzuleitungselektrode 12 und an dem links dargestellten Blech 1 eine Stromableitungselektrode 19 angeschlossen. Um eine gleiche Stromdichte über die vertikale Erstreckung der trapezförmigen Flächenabschnitte 3 zu gewährleisten, sind die trapezförmigen Flächenabschnitte 3 in der Mitte zwischen den Blechen 1 mit mehreren Übertragungselektroden 31 miteinander verbunden. Die Übertragungselektroden 31 sind elektrisch voneinander isoliert, z. B. indem sie als Metallblöcke mit einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird aus den zwei trapezförmigen Flächenabschnitten 3 ein in elektrischer Hinsicht einheitlicher rechteckförmiger Bereich zwischen den Elektroden 12, 19 geschaffen.
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Die Übertragungselektroden 31 können z. B. bei einer Breite von 20 mm im Abstand von 5 mm voneinander entfernt angeordnet sein. Um eine gleichmäßige Beabstandung der Übertragungselektroden voneinander zu gewährleisten, können sie z. B. auf einer isolierenden Platte befestigt sein und als einstückige Übertragungselektroden-Anordnung auf die Bleche 1 gepresst werden. In einer Industrieumsetzung können z.B. alle Elektroden auf einer großen Grundplatte befestigt sein, mit Einbau z.B. in eine hydraulische Presse.
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In vielen Fällen sollen Bleche wie das Blech 1 gemäß 1 nicht an allen Stellen durch Erwärmung gehärtet werden, sondern es sollen z. B. zur Erzielung einer gewünschten Verformungscharakteristik im Crashfall eines Fahrzeugs bestimmte Bereiche nicht gehärtet werden. Auch hierzu ist die vorliegende Erfindung geeignet. Die 4 zeigt eine weitere konduktive Erwärmungseinrichtung 10, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen Flächenabschnitte 4 der Bleche 1 nicht zu erwärmen. Hierzu werden die Elektroden 14 bzw. 17 nicht direkt mit ihrer jeweiligen elektrischen Energiequelle 22 bzw. 25 verbunden, sondern über entlang der Stromflussrichtung im jeweiligem Blech geführte Parallelleiter 26, 27. Durch die Parallelleiter 26, 27 kann ein weiterhin paralleler Verlauf der Stromlinien in den benachbarten Flächenabschnitten 3 hin zu den Übertragungselektroden 31 gewährleistet werden, was ohne die Parallelelektroden 26, 27 nicht sichergestellt wäre. Zudem können die Parallelelektroden 26, 27 gekühlt werden, was den weiteren Vorteil hat, dass sich die Kühlung auch auf das Blech 1 überträgt und damit eine unerwünschte Wärmeübertragung von den erwärmten Flächenabschnitten des Blechs in die nicht zu erwärmenden Flächenabschnitte 4 verhindert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden auch einige oder alle der übrigen Elektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 gekühlt. Auch die Übertragungselektroden 31 können als gekühlte Elektroden ausgebildet sein. Die 5 zeigt ein Beispiel für eine gekühlte Elektrode anhand des Parallelleiters 27.
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In Längsrichtung durch die jeweilige Elektrode verläuft eine Bohrung 28, die einen Kühlkanal bildet. Durch den Kühlkanal kann Kühlflüssigkeit, z. B. Kühlwasser, geleitet werden. Sofern die Elektrode als Parallelleiter 26, 27 ausgebildet ist, ist dieser an der Außenoberfläche isoliert ausgebildet, d. h. es besteht kein elektrischer Kontakt zum Blech 1. Bei den übrigen Elektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 31 ist selbstverständlich der elektrische Kontakt zum Blech 1 notwendig. Die 5 zeigt anhand zweier Parallelleiter 27 beispielhaft eine paarweise Anordnung oberhalb und unterhalb des Blechs 1. Der unterhalb des Blechs 1 angeordnete Parallelleiter 27 stützt sich auf einem Gegenlager 32 gegenüber einer Anpresskraft F ab, die auf den oberhalb des Blechs 1 angeordneten Parallelleiter 27 ausgeübt wird.
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Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer konduktiven Erwärmungseinrichtung 10, die bis auf die nachfolgend erläuterten Unterschiede der Einrichtung 10 gemäß 4 entspricht. Gemäß 6 sind die nicht zu erwärmenden Flächenbereiche der Bleche 1 gegenüber der 4 noch etwas vergrößert und erfassen außer den Flächenabschnitten 4 noch daran angrenzende Randbereiche der Flächenabschnitte 3. Dementsprechend ist die konduktive Erwärmungseinrichtung hinsichtlich der Ausbildung der Parallelleiter 26, 27 sowie der Übertragungselektroden 21 angepasst, indem diese nicht als linear verlaufende Elektroden ausgebildet sind, sondern entsprechend den gewünschten, zu erwärmenden Flächenbereichen abgewinkelt sind. Die Stromzuleitungselektrode 12 und die Stromableitungselektrode 19 sind dementsprechend im Vergleich zu 4 etwas verkürzt ausgebildet.
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Die Bleche 1 können auch anders als zuvor in den 2 bis 6 dargestellt angeordnet werden, z. B. wie in der 7 angegeben. Die rechteckförmigen Flächenabschnitte 2 und 4 sind dabei wie zuvor beschrieben mit den Stromzuleitungselektroden und den Stromableitungselektroden sowie den zugehörigen elektrischen Energiequellen verbunden. Bezüglich der mittleren, trapezförmigen Flächenabschnitte 3 ergibt sich im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Unterschied, dass zur Beibehaltung gleicher Stromdichten und damit gleichen Erwärmungsverhaltens zur Verbindung der Flächenabschnitte 3 zwischen den Blechen 1 nicht nebeneinander angeordnete Übertragungselektroden vorgesehen werden, sondern wie dargestellt über Kreuz angeordnete Übertragungselektroden 31, sodass sich durch die Übertragungselektroden 31 eine spinnenförmige Konstruktion ergibt. Die Übertragungselektroden 31 sind dabei weiterhin elektrisch gegeneinander isoliert, z. B. indem die Elektroden in unterschiedlichen Höhenebenen aneinander vorbeigeführt sind oder als elektrisch isolierte Kabel ausgebildet sind. Hierdurch können homogene Widerstandsverhältnisse analog zu rechteckförmigen Blechen realisiert werden.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist die Einsparung von zwei Energiequellen, da die rechteckförmigen Flächenabschnitte 2, 4 der Platine als Reihenschaltung an eine Energiequelle angeschlossen werden können. So sind die Flächenabschnitte 2 in Reihe mit der Energiequelle 22 verbunden. Die Elektroden 14, 16 können miteinander verbunden oder zu einer Elektrode vereint werden. Die Flächenabschnitte 4 sind in Reihe mit der Energiequelle 24 verbunden. Die Elektroden 15, 17 können miteinander verbunden oder zu einer Elektrode vereint werden.
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Wie erwähnt ist es vorteilhaft, ein Paar von Stromzuleitungs- und Stromableitungselektroden an diagonal gegenüberliegenden Enden mit der elektrischen Energiequelle zu verbinden. Wie zudem in den Figuren erkennbar ist, ist es zusätzlich vorteilhaft, die Anschlussstellen der Anschlussleitungen der Energiequellen an die Elektroden an einer Seite (links/rechts) des Blechs möglichst weit voneinander entfernt anzuordnen, so dass die Stromeinleitstellen möglichst weiter auseinander liegen und die Stromableitstellen möglichst weiter auseinander liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006037637 A1 [0004]
