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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erhitzen von Metallblechen gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 7.
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Hochfeste Metallbleche, die aus Stahl oder Aluminium bestehen können, weisen das Problem auf, dass sie aufgrund ihrer hohen Festigkeit eine geringe Dehnbarkeit aufweisen, die beim Umformen Schwierigkeiten bereitet. Daher kommen zur Herstellung von hochfesten Bauteilen Warmumformverfahren zum Einsatz. Eines dieser Verfahren ist das Presshärten, das vor allem bei Stahlblechen, vorzugweise aus Mangan-Borstahl 22MnB5, zum Einsatz kommt. Zum Presshärten wird das Stahlblech auf ca. 950°C erhitzt und kann dann im Werkzeug umgeformt und kontrolliert abgekühlt werden. Die Abkühlgeschwindigkeiten können bei mehr als 27°C/s liegen und ergeben dann Festigkeiten des Metallblechs bzw. Bauteils von bis zu 1900 MPa.
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Zum Erhitzen der Metallbleche werden unterschiedliche Arten von Heizvorrichtungen bzw. Öfen verwendet. Eine Ausführungsform ist der Rollenherdofen, der allerdings zur Erreichung einer soliden gleichmäßigen Bauteilerwärmung einen hohen Platzbedarf hat, hohe Investitionskosten fordert und einen hohen Energieverbrauch zeigt. Ein weiterer Nachteil derartiger Rollenherdöfen ist darin zu sehen, dass das Metallblech bzw. die Platine nicht partiell erwärmt werden kann. Eine weitere Bauart von Ofen ist der Etagenofen, der auch als „Pizza-Stack“ bezeichnet wird. Bei dieser Ofenart ist es jedoch schwierig, eine homogene Temperaturverteilung auf der zu erwärmenden Platine (Metallblech) zu erzeugen. Denn es gibt, konstruktionsbedingt, heißere und kühlere Zonen, wie beispielsweise im Bereich der Öffnungen zur Platinenübernahme.
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Eine weitere Variante ist die Kontakterwärmung. Bei dieser Art der Erwärmung verlieren die Kontaktplatten die Ebenheit und es kommt zu unterschiedlich ausgeprägten Luftspalten und damit zu unterschiedlicher Erwärmung. Um ein homogenes Temperaturfeld zu erzeugen, wird versucht, die Heizfläche in separate Heizzonen zu unterteilen und einzeln zu regeln. Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dieses Vorhaben nicht praxistauglich ist, da es sehr aufwendig und komplex ist und in den Übergangszonen der einzelnen separat geregelten Heizzonen undefiniert ist.
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Eine weitere Variante zur Optimierung der Heizung besteht darin, diverse Heizstempel mit je einem eigenen Regelkreis und axial beweglich zu konstruieren und somit eine Kontakterwärmung mit gewünschten Temperaturbereichen zu realisieren. Weitere im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Übergangszonen der einzelnen Heizabschnitte schwer beherrschbar sind. Darüber hinaus bilden sich die verwendeten, einzelnen Heizstäbe temperaturmäßig auf der zu erwärmenden Platine ab.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhitzung von Metallblechen zu schaffen, die eine gleichmäßige Erwärmung des Metallbleches (Metallplatine) ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Merkmale des Anspruches 1.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erhitzen bzw. Erwärmen von Metallblechen, wie insbesondere Stahlblechen, wird zumindestens ein Schmelzbehälter mit einer Aluminiumfüllung befüllt. Die in die Schmelzbehälter eingebrachte Aluminiumfüllung wird durch Beheizen des Schmelzbehälters geschmolzen. Das geschmolzene Aluminium gibt über den Schmelzbehälter eine sehr gleichmäßige Wärmestrahlung ab, so dass das Metallblech, das benachbart zum Schmelzbehälter positioniert wird, gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden kann.
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Da Aluminium einen Schmelzpunkt von 660°C und einen Siedepunkt von 2.470°C mit einer Wärmeleitfähigkeit von 235W/mK aufweist, eignet es sich für das erfindungsgemäße Verfahren hiervorragend. Auch dank der niedrigen Viskosität, die ähnlich der Viskosität von Wasser ist, lässt sich ein Flüssigkeitsaustausch gut realisieren.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung erfolgt hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 7.
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Dementsprechend weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindestens einen Schmelzbehälter auf, der zur Aufnahme einer Aluminiumschmelze dient. Dementsprechend ist der Schmelzbehälter mit einer Heizvorrichtung versehen, mittels der der Schmelzbehälter erwärmt werden kann, so dass die in den Schmelzbehälter eingebrachte Aluminiummasse erhitzt und geschmolzen werden kann.
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Die Unteransprüche 2 bis 6 haben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Inhalt, während die Unteransprüche 8 bis 15 vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Inhalt haben.
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Vorteilhafterweise ist es durch die erfindungsgemäße Grundidee, flüssiges Aluminium als Wärmeübertragungsmedium zu verwenden, möglich, viele Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitzustellen.
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So ist es vorzugsweise möglich, das Metallblech bzw. die Platine beidseitig zu beheizen bzw. zu erwärmen, also zwei Schmelzbehälter zu verwenden. Die Schmelzbehälter können hierbei jeweils eine Heizeinrichtung haben oder es kann eine gemeinsame Heizeinrichtung für beide Schmelzbehälter verwendet werden. Hierzu können induktive oder konduktive Heizverfahren oder auch Heizpatronen als besonders einfache Alternative verwendet werden. Alternativ können auch Keramikstrahler oder Gasflammen verwendet werden. Bevorzugterweise sind bei der Verwendung von zwei oder mehreren Schmelzbehältern alle Schmelzbehälter temperaturgeregelt ausgebildet.
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Alternativ ist es möglich, einen zentralen Schmelzbehälter zur Erzeugung der Aluminiumschmelze vorzusehen, der mit einer geeigneten Heizvorrichtung ausgestattet ist, die in der zuvor erläuterten Art und Weise ausgebildet sein kann. In diesem Falle wird die Aluminiummasse in den zentralen Schmelzbehälter eingebracht und in diesem durch Erwärmung auf die gewünschte Temperatur gebracht und damit geschmolzen. Das geschmolzene Aluminium kann dann von dem zentralen Schmelzbehälter den Schmelzbehältern zugeleitet werden, zwischen denen die Platine zu deren Erwärmung angeordnet ist. Hierbei ist es auch möglich, lediglich einen Schmelzbehälter zu verwenden, der von der zentralen Schmelzeinheit mit flüssigem Aluminium versorgt wird und benachbart zu dem die Platine zu ihrer Enderwärmung positioniert wird.
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Vorzugsweise ist es ferner möglich, Isolier- bzw. Dämmformelemente in der Heizwand des bzw. der Schmelzbehälter vorzusehen. Hiermit ist es möglich, gezielt heißere und kühlere Bereiche auszubilden, damit die Platine, falls dies erforderlich ist, in unterschiedlichen Bereichen auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden kann. Durch die Wahl geeigneter Materialien, wie beispielsweise Keramik, und durch gezielte Festlegung in der Geometrie und dem Dickenverlauf des bzw. der Schmelzbehälter können gezielt Bereiche mit niedrigerer Temperatur erzeugt werden. Auch der Übergang zum voll beheizten Bereich kann durch Auslegung der Dicke von Isolierformkörpern gezielt vorgegeben werden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung der Zeichnung. Darin zeigt:
- 1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer Beschickungsposition,
- 2 eine der 1 entsprechende Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer Heizposition,
- 3 eine der 1 entsprechende Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 4 eine der 2 entsprechende Darstellung der Ausführungsform gemäß 3,
- 5 und 6 eine weitere schematisch stark vereinfachte Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in den 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erhitzung von Metallblechen 2, wie insbesondere Stahlblechen oder Aluminiumblechen weist im dargestellten Beispielsfalle zwei Schmelzbehälter 3 und 4 auf, obwohl die Vorrichtung 1, wie eingangs erläutert, auch nur einen Schmelzbehälter umfassen kann.
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Wie 1 schematisch vereinfacht darstellt, sind im Beispielsfalle die Schmelzbehälter 3 und 4 jeweils von einer Isolierung bzw. Wärmedämmschicht 6 bzw. 7 umgeben.
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1 zeigt ferner schematisch vereinfacht eine Heizeinrichtung 5, mittels der die Schmelzbehälter, die üblicherweise als Stahlbehälter ausgebildet sind, erwärmt werden können, damit eine in sie eingefüllte Aluminiummasse erhitzt und damit in eine Aluminiumschmelze AS überführt werden kann. Wie eingangs erläutert, ist es möglich, für beide Schmelzbehälter 3, 4 eine gemeinsame Heizeinrichtung 5 vorzusehen oder jeden der Schmelzbehälter 3 und 4 mit einer separaten zugeordneten Heizeinrichtung zu versehen.
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Die erwärmte Aluminiummasse ergibt eine, als Wärmeträgermedium dienende, Aluminiumschmelze AS, die eine sehr gleichmäßige Wärmeabstrahlung über die Schmelzbehälter 3 und 4 möglich macht.
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1 zeigt ferner eine Position der Schmelzbehälter 3, 4, die das Einbringen der Platine 2 zwischen die Schmelzbehälter 3, 4 möglich macht.
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Um die Platine 2 zu erwärmen, werden die Schmelzbehälter 3, 4 aufeinander zu bewegt, wozu jeder Schmelzbehälter 3, 4 eine geeignete Antriebsvorrichtung umfassen kann, die in 1 durch die Doppelpfeile 14 bzw. 14' symbolisiert ist.
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Durch Betätigen dieser Antriebsvorrichtungen 14, 14' werden, wie 2 zeigt, die Schmelzbehälter 3, 4 aufeinander zu bewegt und damit der Platine 2 angenähert. Somit stellt 2 die Erwärmungsposition der Schmelzbehälter 3, 4 dar, in der die Platine 2 über die in den Schmelzbehältern 3, 4 erzeugte Aluminiumschmelze AS gleichmäßig erwärmt werden kann.
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Wie eingangs ebenfalls erläutert, ist es jedoch auch möglich, Zonen unterschiedlicher Erwärmung in der Platine 2 zu erzeugen, wozu die eingangs erläuterten Isolierformelemente an jeweils wählbaren Positionen der Schmelzbehälter bzw. der Heizwände der Schmelzbehälter 3, 4 vorgesehen sein können.
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Die 3 und 4 entsprechen den 1 und 2, so das hinsichtlich aller gemeinsamer Merkmale auf die voranstehende Beschreibung Bezug genommen werden kann.
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Zur Vereinfachung der Darstellung ist in den 3 und 4 die Heizeinrichtung 5 nicht gezeigt, aber natürlich vorhanden, um die Aluminiumschmelze AS in den Schmelzbehältern 3, 4 erzeugen zu können.
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Die besonders bevorzugte Ausführungsform gemäß den 3 und 4, die in 3 wiederum die Beschickungsposition und in 4 die Erwärmungsposition zeigt, weist für jeden Schmelzbehälter 3 und 4 eine zugeordnete Durchmischungseinrichtung 8 bzw. 9 auf. Die Durchmischungseinrichtungen 8 und 9 weisen jeweils einen Zylinder 11 bzw. 10 auf, in dem eine Kolbenstange 13 bzw. 12 längsbeweglich geführt ist. Am Ende der Kolbenstangen 13 und 12 ist jeweils ein Durchmischungskörper 16 bzw. 15 angeordnet, der in der Aluminiumschmelze AS zu deren Durchmischung auf- und abbewegt werden kann. Da die geschmolzene Aluminiummasse eine sehr niedrige Viskosität hat, die ähnlich der Viskosität von Wasser ist, lässt sich durch dieses Auf- und Abbewegen der Durchmischungskörper 15 und 16 ein sehr gleichmäßiger Flüssigkeitsaustausch in den Schmelzbehältern 3 und 4 bewerkstelligen, was die Wärmeabstrahlung weiter vergleichmäßigt und damit die Erwärmung der Platine 2 erleichtert und optimiert.
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Die Ausführungsform gemäß den 5 und 6 zeigt wiederum zwei Schmelzbehälter 3 und 4 zur Aufnahme einer Aluminiumschmelze AS, wobei zur Vereinfachung der Darstellung in den 5 und 6 die Wärmedämmschicht der Schmelzbehälter 3 und 4, die ohnehin ein optionales Merkmal darstellt, nicht gezeigt ist.
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Bei dieser Ausführungsform zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 durch einen dritten zentralen Schmelzbehälter 17 auf, der mit einer Heizeinrichtung versehen ist, die in 5 und 6 stark schematisch vereinfacht durch die sechs Pfeile 5 symbolisiert ist. Dementsprechend wird die zu erwärmende Aluminiummasse in den zentralen Schmelzbehälter 17 eingebracht und durch die Heizeinrichtung 5 auf die gewünschte Temperatur zur Erzeugung der Aluminiumschmelze AS gebracht.
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Wie die 5 und 6 verdeutlichen, ist die Platine 2 jedoch zwischen den Schmelzbehältern 3 und 4 zum Zwecke ihrer Erwärmung angeordnet. Daher weist die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß den 5 und 6 zwei Verbindungsleitungen 18 und 19 auf, mittels der der zentrale Schmelzbehälter 17 mit den Schmelzbehältern 3 und 4 zur Erwärmung der Platine 2 verbunden ist.
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Um die im zentralen Schmelzbehälter 17 erzeugte Aluminiumschmelze AS in die Schmelzbehälter 3 und 4 überführen zu können, ist bei der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsform ein Tauchkörper 20 vorgesehen, der über eine Antriebseinrichtung 22, wie beispielsweise eine angetriebene Kurbelwelle, über eine Antriebsstange 21 auf- und abbewegt werden kann. Hierbei zeigt die Stellung des Tauchkörpers 20 in 5 die in die Aluminiumschmelze AS eingetauchte Stellung, die zu einer Verdrängung der Aluminiumschmelze AS in die beiden Schmelzbehälter 3 und 4 führt. Da die Schmelzbehälter 17 sowie 3 und 4 nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden sind, stellt sich durch dieses Verdrängen mit Hilfe des Tauchkörpers 20 jeweils ein gleiches Volumen in den Schmelzbehältern 17, 3 bzw. 4 ein, das auch als Pendelvolumen PV bezeichnet werden kann, da ein Herausheben des Tauchkörpers 20 aus der Aluminiumschmelze AS, wie in 6 dargestellt, ein Absenken dieses Pendelvolumens PV in den Schmelzbehältern 3 und 4 zur Folge hat, was bedeutet, dass die Aluminiumschmelze AS aus den Schmelzbehältern 3 und 4 in den zentralen Schmelzbehälter 17 zurückströmt, beispielsweise um erneut aufgeheizt werden zu können.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit zur Ergänzung der Offenbarung vorliegender Erfindung explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 6 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung / Ofen zur Erhitzung von Metallblechen
- 2
- Metallblech / Platine
- 3
- Schmelzbehälter
- 4
- Schmelzbehälter
- 5
- Heizeinrichtung
- 6, 7
- Wärmedämmschicht
- 8, 9
- Durchmischungseinrichtung
- 10, 11
- Zylinder
- 12, 13
- Kolbenstange
- 14, 14'
- Antriebsvorrichtungen
- 15, 16
- Durchmischungskörper
- 17
- zentraler dritter Schmelzbehälter
- 18, 19
- Verbindungsleitungen
- 20
- Tauchkörper
- 21
- Verbindungsstange/Antriebsstange
- 22
- Antriebseinrichtung
- PV
- Pendelvolumen
- AS
- Aluminiumschmelze
