DE102019006201A1

DE102019006201A1 - Verfahren und Fixturhärtevorrichtung zum Fixturhärten von Bauteilen

Info

Publication number: DE102019006201A1
Application number: DE102019006201.9A
Authority: DE
Inventors: Hans Flach
Original assignee: Aerospace Transmission Technologies GmbH
Current assignee: Aerospace Transmission Technologies GmbH
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2020-11-12
Also published as: EP3947752A1; WO2020225180A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils, bei welchem im Rahmen eines Einspannschrittes das Bauteil in einer Einspannanordnung gespannt wird und das in der Einspannanordnung gespannte Bauteil im Rahmen eines nachfolgenden Abschreckschrittes von einem Kühlmedium durch und/oder überströmt und abgekühlt wird, wobei das Kühlmedium hierbei durch eine Kanalanordnung zum Werkstück geführt wird, die durch die Einspannanordnung bereitgestellt wird und die Strömung des Kühlmediums durch die Kanalanordnung durch die Einstellung von Strömungsquerschnitten im Bereich der Einspannanordnung abgestimmt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines Wärmebehandlungsverfahrens der oben beschriebenen Art.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Härten von Bauteilen, wobei diese Bauteile während des Härtevorganges in einer hochsteifen Fixiervorrichtung fixiert werden, um hierbei Verformungen der Bauteile zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Der Prozessschritt der Wärmebehandlung zur Härtung von Bauteilen führt in der Regel zu Maß- und Formänderungen, welchen nach Möglichkeit durch Fixierung des Bauteils vorgebeugt wird, um aufwändige Nacharbeiten zu vermeiden. Das Härten von Bauteilen in gespanntem Zustand wird allgemein als Fixturhärten bezeichnet. Bei diesem Härtekonzept wirken während des Abschreckens in einem definierten und reproduzierbaren Kühlmittelstrom über matrizenartige Niederhalter, sog. Fixturen, von außen her hohe Kräfte auf das Bauteil ein und halten es auf diese Weise in Form. Die eingesetzten Fixturen sind dabei jeweils zumindest abschnittsweise der Außenkontur des Werkstücks angepasst.
Aus DE 40 04 295 C2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Härten von Werkstücken bekannt. Hierbei werden die zu härtenden Werkstücke durch Fixturen in einer Presse gespannt. Ein während eines Abschreckschrittes zum Werkstück geführter Kühlmittelstrom wird durch ein Ventil gesteuert. Die Abstimmung des Kühlmittelstroms erfolgt hierbei unter Rückgriffnahme auf Temperaturmessungen z.B. am Werkstück, an der Spannvorrichtung sowie durch Messung der Temperatur des vom Werkstück abfließenden, aufgeheizten Kühlmittels.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche es möglich wird, im Rahmen eines Presshärteprozesses die zeitliche Veränderung des thermischen Zustands des Werkstücks gegenüber bisherigen Ansätzen verbessert abzustimmen.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils, bei welchem im Rahmen eines Einspannschrittes das zunächst definiert erhitzte Bauteil in einer Einspannanordnung gespannt wird und das in der Einspannanordnung gespannte Bauteil im Rahmen eines nachfolgenden Abschreckschrittes von einem Kühlmedium durch und/oder überströmt und abgekühlt wird, wobei:

- das Kühlmedium hierbei über eine Kanalanordnung zum Werkstück geführt wird, die durch die Einspannanordnung bereitgestellt wird und
- die Strömung des Kühlmediums durch die Kanalanordnung durch Einstellung von Strömungsquerschnitten vermittels Stellorganen im Bereich der Einspannanordnung abgestimmt wird.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den zeitlichen Verlauf des Temperaturgradienten zwischen ausgewählten Zonen des Werkstücks und des Kühlmediums präzise und mit hoher Dynamik zu steuern. Der Abschreckprozess ist damit mit hoher Wiederholgenauigkeit durchführbar, so dass die durch den Abschreckprozess bewirkten Werkstückeigenschaften in einem engen Toleranzbereich reproduzierbar sind. Durch die Einbindung der für den Fluiddurchsatz maßgeblichen Stellorgane in die Einspannanordnung kann diese als Einheit gehandhabt werden, die automatisiert in eine Härtepresse verbracht werden kann und dann durch ein auf den jeweiligen Härtejob abgestimmtes Programm angesteuert werden kann.
Vorzugsweise werden die Strömungsquerschnitte durch gesteuerte Positionierung von Ventil-, Drossel- oder Schieberstrukturen verändert. Die Kanalanordnung umfasst vorzugsweise mehrere Kühlmittelkanäle und die Durchströmung der Kühlmittelkanäle wird für alle Kanäle oder auch gruppiert eingestellt. Alternativ hierzu oder auch in Kombination mit dieser Maßnahme kann die Kanalanordnung auch so ausgebildet sein, dass diese mehrere Kühlmittelkanäle umfasst und die Durchströmung definierter Kühlmittelkanäle kanalspezifisch eingestellt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Abstimmung der Strömung des Kühlmediums über das abzuschreckende Werkstück auch unter Abstimmung des Fluiddruckes durchgeführt. Vorzugsweise wird die Abstimmung der Strömung des Kühlmediums auch unter Abstimmung des insgesamt eingespeisten Kühlmittelstromes durchgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs angegebene Aufgabe auch gelöst durch eine Fixturhärtevorrichtung zur Wärmebehandlung eines Bauteils mit:

- einer Einspannanordnung, zur Fixierung des Bauteils während eines Abschreckschrittes,
- einer Kanalanordnung zur Zuführung eines Kühlmediums in den Bereich des fixierten Bauteils und
- einer Stelleinrichtung zur Abstimmung des Kühlmittelstromes durch die Kanalanordnung, wobei
- die Stelleinrichtung in die Einspannanordnung eingebunden ist und über diese Stelleinrichtung die Strömungsquerschnitte der Kanalanordnung einstellbar veränderbar sind.

Die Stelleinrichtung ist vorzugsweise als in die Einspannanordnung integrierte Schieberanordnung realisiert, zur Bereitstellung einstellbar veränderbarer Strömungsquerschnitte. Die Schieberanordnung umfasst vorzugsweise eine erste Plattenstruktur und eine zweite Plattenstruktur und die Abstimmung der Strömungsquerschnitte wird durch Einstellung der Relativposition der beiden Plattenstrukturen eingestellt. Hierzu ist vorzugsweise die zweite Plattenstruktur gegenüber der ersten Plattenstruktur bewegbar, insbesondere drehbar geführt.
Weiterhin ist vorzugsweise eine Stellanordnung vorgesehen, zur Positionierung der zweiten Plattenstruktur gegenüber der ersten Plattenstruktur. Die erste Plattenstruktur kann in vorteilhafter Weise durch eine Basisplatte der Spannvorrichtung gebildet sein. Die Stellanordnung umfasst vorzugsweise einen Stellmotor. Dieser kann als elektromechanischer Motor oder auch als druckmittelbetätigter Motor oder als Stellzylinder ausgebildet sein. Der Stellmotor ist vorzugsweise in die Einspannvorrichtung integriert und sitzt hierbei vorzugsweise in einem Raumbereich unterhalb der genannten Basisplatte.
Nach dem erfindungsgemäßen Konzept wird eine Press-Abschreckvorrichtung geschaffen, welche eine adaptive und sich zeitlich ändernde Einstellung der Strömung eines oder auch mehrerer unterschiedlicher Abschreckmedien (Abschreckmittel) durch ausgewählte Kanäle und hierdurch vorzugsweise auch zu ausgewählten Zonen des Werkstücks ermöglicht. Diese Einstellung der Strömung erfolgt vorzugsweise durch die Verwendung von Schieber- oder Drosselmechanismen, insbesondere mit einem konstruktiv abgestimmten Lochmuster in hierbei perforierten Platten, die im Bereich der Spannvorrichtung und über Stellmittel positionierbar sind, um die Strömung des Abschreckmittels um das abgeschreckte Bauteil herum oder auch durch dieses hindurch zu optimieren und hierdurch ein zeitlich präzise koordiniertes Abschrecken der Werkstücke, insbesondere von Zahnrädern zu bewirken.
Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere auch für Lagerringe, zylindrische Teile mit Innenbohrung und andere, insbesondere auch großbauende maschinenbauliche Komponenten. Das Betätigungssystem der Schiebermechanik, insbesondere der Lochplatten ist vorzugsweise mit einer Steuereinheit der Abkühleinheit der Presse verbunden. Vorzugsweise sind in der Spann- oder Fixiervorrichtung Sensoren, insbesondere Temperatursensoren und Durchflusssensoren vorgesehen. Alternativ zu diesen Sensoren, oder auch in Kombination mit diesen kann der Abschreckprozess auch unter Rückgriffnahme auf ein digitales Modell der Spann- oder Fixiervorrichtung sowie vorzugsweise auch auf ein digitales Modell des Werkstücks selbst abgewickelt werden.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird eine verbesserte Kontrolle der örtlichen Anströmung der Abschreckmedien an das Bauteil erreicht. Dies ermöglicht eine effiziente Prozesseinrichtung. Das anfängliche Prozess-Setup erfordert keinen direkten manuellen Zugriff auf die Vorrichtung und ist daher ideal für automatisierte Zellen. Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt es auch, die Fluidströmung, insbesondere das Flussmuster während des Lösch- oder Abschreckprozesses zu ändern, um maßgeschneiderte Prozesse umzusetzen, um beispielsweise auf ermittelte Auswirkungen wie z.B. die Materialphasentransformation zu reagieren. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen fortschrittlichen Abschrecktechnologie kommt es insgesamt zu einem geringeren Verzug der Werkstücke, zu einer geringeren inneren Verspannung und eng toleriert einhaltbaren Oberflächenhärten.
Die erfindungsgemäß während des Abschreckprozesses automatisiert bewerkstelligbare Anpassung der Kanalgrößen an den lokalen Kühlbedarf des Werkstücks erfolgt vorzugsweise über eine gesteuert positionierbare perforierte Platte, die als Schiebestruktur für mehrere Kanäle und insbesondere Kanalgruppen fungiert. Die Positionierung dieser perforierten Platte erfolgt vorzugsweise in Verbindung mit Prozessinformationen die auch während des Abschreckprozesses durch Messsensoren erfasst und von der Systemsteuerung verarbeitet werden um hierauf basierend die Position der Lochplatte einzustellen. Die Realisierung einer Lösung, die eine dynamische Änderung des Kühlmittelflusses, insbesondere der Verteilung und des Durchsatzes des Abschreckmediums während des gesamten Prozesses ermöglicht, nutzt vorzugsweise numerische Ansätze und Modelle zur Vorhersage des zeitliches Verhaltens der abgeschreckten Komponente. Diese Ansätze können bei einem Preprozessing für eine Ermittlung eines zeitlichen Grundeinstellverhaltens der Schiebermechanik herangezogen werden, diese Ansätze können auch bei der Echtzeitoptimierung des Abschreckprozesses berücksichtigt werden um entsprechende Kühlmittelströme zu realisieren. Es ist auch möglich, in der perforierten Platte ein Lochmuster vorzugsehen, das bei einer sukzessiven Verdrehung der Platte im Rahmen des Abschreckprozesses eine auf eine geforderte zeitliche Charakteristik der Werkstückanströmung ausgelegte Drosselwirkung bietet, so dass die Verdrehung der perforierten Platte nur in ihrem zeitlichen Verlauf gesteuert werden muss und z.B. keine Rückdrehung erforderlich ist und die Platte damit ab Beginn des Abschreckprozesses sukzessive weitergedreht wird bis sie in eine Endstellung gelangt die auf das Ende des Abschreckprozesses passt.
Die erfindungsgemäße Abkühlvorrichtungen bietet in einer Presse eine hohe Flexibilität der Steuerung des Kühlmittelstroms und damit des Wärmeabzugs aus dem Werkstück. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Vorrichtungsaufbaus ermöglicht die automatisierte Steuerung des Kühlmittelflusses über Sensoren in der Vorrichtung und/oder auch unter Rückgriffnahme auf ein digitales Modell der Vorrichtung und des Werkstücks und führt zu einer erheblichen Verbesserung des Presshärteprozesses.
Das erfindungsgemäße Konzept bietet die Möglichkeit, etwaige auftretende geometrische Abweichungen zu korrigieren und das Fließmuster bedarfsweise auf programmtechnischem Wege zu ändern. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht es, komplexe Prozessphänomene, insbesondere durch numerische Modellierung zu erkennen und steuerungstechnisch zu berücksichtigen und hierdurch eine verbesserte Prozesskontrolle zu erreichen. Die Stellmöglichkeit der Fluiddurchtrittsquerschnitte im Bereich der Spannvorrichtung kann im Rahmen eines CIM-Fertigungsprozesses genutzt werden, um beispielsweise eine Grundeinstellung auf der Grundlage einer Vorberechnung vorzunehmen nach welcher das Werkstückverhalten durch eine digitales Werkstück- und Werkzeugmodell bereits vorab ermittelt wird. Die perforierte Platte kann ggf. nach ersten Ergebnissen in ihrer Geometrie, insbesondere hinsichtlich des Lochbildes verändert werden, diese Veränderung wird dann wieder programmtechnisch berücksichtigt.
Die Strömungsquerschnitte der Kanalanordnung werden erfindungsgemäß vorzugsweise während des Abschreckschrittes in der Fixiervorrichtung oder im Bereich einer Basisplatte derselben gesteuert verändert.
Die vorliegende Erfindung beschreibt insbesondere die Verwendung von aktiv einstellbar positionierbaren Lochplatten in einer Abschreckvorrichtung zusammen mit einem Steuersystem. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere für große maschinenbauliche Komponenten für die Luftfahrtindustrie.
Erfindungsgemäß werden zwei zusammenwirkende und mit Durchgangsbohrungen versehene Platten mittels eines Stelltriebs zueinander positioniert. Eine der Platten kann hierbei unmittelbar durch die Basisplatte der Fixiervorrichtung gebildet sein. Die zweite Platte kann eine dünnere Platte sein und wird durch den Stelltrieb positioniert. Diese Positionierung der zweiten Platte wird vorzugsweise durch . einen Stelltrieb insbesondere einen Servomotor bewerkstelligt, der in die Fixturvorrichtung eingebunden ist und mit dieser eine im Rahmen eines CIM-Fertigungprozesses automatisiert handhabbare Einheit bildet. Dieser Servomotor kann unter der Basisplatte sitzen. Die zweite Platte kann direkt durch den Servomotor angetrieben werden. Hierzu kann an der zweiten Platte eine Verzahnung ausgebildet sein, die mit einem Zahnrad des Servomotors in Eingriff steht. Die zweite Platte kann drehbar geführt sein. Hierzu kann die zweite Platte insbesondere um einem Achszapfen drehbar geführt sein, der in der Basisplatte der Fixturvorrichtung verankert ist. Die zweite Platte kann auch durch anderweitige Führungsstrukturen, z.B. oder in Bogennuten oder in einer Zylindersenkung drehbar geführt sein.
Durch die Änderung der Winkelposition der beiden Platten zueinander können gewünschte Durchgangsquerschnitte und/oder Durchgangsquerschnittsgruppen eingestellt werden. Es kann hierbei der Querschnitt durch den Versatz der Durchgangsbohrungen eingestellt werden, es können auch die Durchgänge in den Platten derart länglich gestreckt gestaltet sein, dass die Querschnittsveränderung durch einen entsprechend großen Verstellwinkel präzise abstimmbar ist. So werden durch zusammenwirkende Lochplatten, Kanalquerschnitte durch Drehen einer Platte relativ zur anderen verändert.
Die Einstellung der Winkel-Position der Platten zueinander führt zu einem definierten Kanalquerschnitt und damit zu einer definierten Drosselwirkung dieses Kanals. In Verbindung mit weiteren Paramatern wie zum Beispiel dem Speisedruck des Kühlmediums oder auch dem insgesamt zugeführten Volumenstrom kann dann der Fluiddurchsatz durch diesen Kanal und damit die Kühlleistung in der von dem Kanal gespeisten Werkstück-Kühlzone prognostiziert und definiert eingestellt werden. Die Betätigung der in der Fixturvorrichtung vorgesehenen Schieber- oder Drosselmechanik durch Integration eines Stell- oder Servomotors kann automatisiert ferngesteuert oder drahtgebunden bewerkstelligt werden.
Die erfindungsgemäße Einspannanordnung kann im Rahmen einer Grundeinstellung so eingestellt werden, dass mit dieser Grundeinstellung eine bestimmte, z.B. eine maximale Werkstückabkühlung, erreichbar ist. Aus dieser Grundeinstellung heraus erfolgt durch Steuerung der Winkelposition der zweiten Lochplatte eine Einstellung der Lochgröße eines Durchgangs und damit des effektiven Kanalquerschnitts. Ein definierter Winkel entspricht einem bestimmten Kanalquerschnitt und damit der Drosselwirkung des jeweiligen Kanals. Für das Abschrecken ist die Öldurchflussmenge maßgeblich die nicht nur von der Kanalgröße, sondern auch von dem Druck / der Ölzufuhr zusammen mit der Größe der anderen Kanäle abhängt. Ziel ist es, den Ölfluss und die Flussaufteilung zwischen . verschiedenen Kanälen oder für spezifische Kanäle zu steuern, selbst bei Abweichungen zwischen den Kanälen im Umfang. Dies erfolgt vorzugsweise unter Signalrückführung und einem entsprechend geschlossenen Regelkreis, insbesondere unter Einbindung von Thermoelementen. Diese Thermoelemente sind vorzugsweise am unteren und oberen Ende in der Nähe des abgeschreckten Bauteils angeordnet. Mit diesen Messwerten kann das Erzielen einer geforderten Temperaturdifferenz überwacht und die Menge des abschreck- oder Löschmittels entsprechend variabel dosiert werden. Die Thermoelemente können auch am Einlass und am Auslass der Vorrichtung sowie in Zwischenbereichen angeordnet sein. Mit den über diese Thermoelemente gewonnenen Messwerten kann ebenfalls das Erzielen einer geforderten Temperaturdifferenz und der zeitliche Verlauf derselben überwacht werden und der Kühlmittelstrom durch Ansteuerung der integrierten Schiebermechanik entsprechend mit hoher Dynamik dosiert werden.
In dem erfindungsgemäßen System kann weiterhin auch eine Messung der Durchflussmessungen erfolgen. Hierzu kann insbesondere ein Pitot-Rohr Messanordnung vorgesehen sein zur Erzielung einer vordefinierten Strömungsgeschwindigkeit/eines dynamischen Drucks um die abzuschreckende Komponente herum, insbesondere auch bei turbulenter Strömung.
Durch das erfindungsgemäße Konzept ergibt sich eine bessere Einstellung der Fluss- / Flussaufteilung über CFD-Simulation und Rückmeldung der erforderlichen Kanalgrößen. Es kann vorab für eine Reihe gewünschter Flussaufteilungen vorbereitet werden. So kann insbesondere eine Regulierungstabelle für die Ölversorgung in Abhängigkeit von der Kanalgröße oder Winkelstellung vorbereitet werden, auf welche dann während des Abschreckprozesses Rückgriff genommen werden kann. Bei variablem Gerätedesign und anderen Kanälen kann diesen Abweichungen durch eine Neuberechnung Rechnung getragen werden.
Der Abschreckprozess kann mit einer Simulation des Verzerrungsverhaltens kombiniert werden mit einer Optimierungsregelschleife kann die beste Einstellung ermittelt und an der Maschine eingestellt werden. Letztere Maßnahme kann auch Änderungen während des Abschreckvorgangs beinhalten, um auf bestimmte Änderungen des Schwindungs-/Verzerrungsverhaltens sowie lokal auftretende Phasenumwandlungen zu reagieren.
Weiterhin kann ein numerisches, digitales Modell, bei der Echtzeitsteuerung berücksichtigt werden. So kann basierend auf der Winkelposition/Öffnung der Kanäle die Strömungsverteilung um die zu härtende Komponente eingestellt werden und die Einstellung kann während des Härteprozesses dynamisch korrigiert werden. Verbunden mit einem mechanischen, numerischen Modell des . abgeschreckten Bauteils kann der Prozess so gesteuert werden, dass er auf das Schwindungsverhalten des Bauteils reagiert.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht auch eine sog. „Industry 4.0-Option“ :

• Möglicher erster Schritt: Die konstruktiv und messtechnisch erfassbaren Ausgangsbedingungen (Metallurgie und Geometrie) und der aktuelle Zustand eines Finite-Elemente Models also des „digitalen Zwillings“ werden abgeglichen / kalibriert;
• Basierend auf diesen Eingabebedingungen eines einzelnen Teils oder einer Charge wird der digitale Zwilling verwendet, um eine Optimierungsschleife auszuführen, um die besten Abschreckeinstellungen zu prognostizieren;
• Diese Einstellungen werden für den Prozess verwendet;
• Während des Abschreckvorgangs wird der digitale Zwilling gleichzeitig analysiert, um den aktuellen Zustand des Teils zu überwachen und möglicherweise die Kanalgröße zu ändern;
• Das Ergebnis des digitalen Modells wird dann mit den tatsächlichen Prozessergebnissen korreliert, um die Genauigkeit der Vorhersagen weiter zu verbessern

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:

1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Fixturhärteverfahrens;
2 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Fixturhärtevorrichtung;
3 eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Stelleinrichtung mit einer als drehbar geführtes Ringelement gestalteten Lochplatte;
4 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Fixturhärtesystems mit automatisiert abwickelbarem Fixturwechsel, sowie jobspezifisch intern steuerbaren Fixturen.

Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die Darstellung nach 1 veranschaulicht den Ablauf eines unter Einschluss einer erfindungsgemäßen Fixturvorrichtung durchgeführten Presshärteverfahrens.
Zu Beginn des Härteverfahrens wird eine Auswahl S1 für einen bestimmten Härtejob getroffen. Entsprechend dieser Auswahl S1 wird im Schritt S2 automatisiert eine für diesen Härtejob vorgesehene Fixtur aus einem Werkzeugmagazin abberufen und im Schritt S4 in eine Härtepresse verbracht. Über standardisierte Anschlussschnittstellen an der Fixtur und an der Presse wird die Fixtur elektrisch, signaltechnisch und bezüglich des Abschreckmediums hydraulisch mit den Pressen-seitigen Komplementärschnittstellen verbunden.
Für die Steuerung der Härtepresse wird ein Steuerprogramm bereitgestellt, oder eine Verbindung zu einem externen Rechnersystem geschaffen. Nunmehr wird der Kühlmittelkreis entlüftet und über das Kühlmittel ein thermischer Grundzustand der Fixtur, sowie eine Querschnittsgrundeinstellung für die Kühlmittelkanäle eingestellt. Sobald die Fixtur sich in einem geforderten thermischen Grundzustand befindet wird die Fixtur temporär geöffnet und das zu härtende Werkstück automatisiert in die Fixtur eingesetzt. Die Presse wird geschlossen und das Werkstück in der Fixtur gespannt. Der Begriff „das Werkstück wird in der Fixtur verspannt“ ist nicht so einschränkend zu verstehen, dass das Werkstück fest verspannt ist, sondern es wird in die Fixtur eingelegt und schrumpft während des Kühlvorgangs auf diese auf. Das Werkstück wird somit durch die Fixtur vor dem Abkühlvorgang nur fixiert bzw. von der Fixtur gehalten und ist erst nach dem Abkühlvorgang mit dieser verspannt.
Die Steuerung der Presse veranlasst die Einspeisung des Kühlmittels in die Fixtur. Das Kühlmittel verteilt sich in einem Verteilungsabschnitt auf die Eingänge verschiedener Kühlmittelkanäle. Die Querschnitte dieser Kühlmittelkanäle werden durch Ansteuerung von Stellmitteln abgestimmt. Diese Abstimmung erfolgt unter Berücksichtigung der sensortechnisch gemessenen oder aus Betriebsparametern abgeleiteten Informationen zur Eingangstemperatur des Kühlmediums, der Ausgangstemperatur, des Volumenstromes und des Fluiddruckes. Diese Informationen werden durch eine Regelroutine berücksichtigt. Nach Maßgabe der Regelroutine erfolgt während der fortgesetzten Fluideinspeisung in die Fixtur, innerhalb derselben eine Einstellung der Querschnitte der Kühlmittelkanäle, des Druckes und des Gesamtspeisestromes.
Die dynamische Querschnittseinstellung innerhalb der Fixtur kann als reiner Steuerungsvorgang nach Maßgabe eines bestimmten zeitlichen Musters abgearbeitet werden. Vorzugsweise erfolgt sie jedoch als geregelter Vorgang mit Signalrückführung und einem entsprechend geschlossenen Regelkreis. Die Regelstrategie kann so abgestimmt sein, dass diese ein sich aus einem digitalen Werkstückmodell ergebendes thermisches Verhalten des Werkstücks berücksichtigt. Diese Regelstrategie kann im Wege eines Preprozessing-Vorgangs vorbereitet sein, bei entsprechender Rechnerleistung kann auch während des Härteprozesses die Regelung unter Rückgriffnahme auf ein digital modelliertes Werkstückmodell erfolgen. Die dynamische Querschnittseinstellung der Kühlmittelkanäle innerhalb der Fixtur kann die Aufschaltung und Schließung oder Drosselung von Bypasskanälen beinhalten, und sie kann auch das zeitlich abgestimmte individuelle oder gruppierte Öffnen, Drosseln oder Schließen von Kanälen beinhalten, die zum oder über das Werkstück führen.
Bei Beendigung der Härte- insbesondere Abschreckprozessphase werden die in der Fixtur vorgesehenen Stellmittel vorzugsweise wieder in eine Grundposition gebracht. Die Fixtur wird vorzugsweise hinsichtlich des Kühlmittels entleert und ggf. mit einen gasförmigen Medium gespült.
Die Fixtur wird dann geöffnet, das abgeschreckte Werkstück wird automatisiert entnommen und es kann ein weiterer folgender Härteprozess in der oben beschriebenen Weise abgewickelt werden.
Nach Abbarbeitung eines vorzugsweise die abfolgende Härtung mehrerer Werkstücke umfassenden Härtejobs kann die Fixtur automatisiert aus der Härtepresse entnommen werden und wieder in ein Magazin verbracht werden. Die Härtepresse kann dann für einen Härtejob eines abweichend gestalteten Werkstücks mit einer entsprechenden Fixtur bestückt werden. Soweit es sich hier wiederum um eine Fixtur mit integrierter Stelleinrichtung für die Kanalansteuerung handelt, kann diese dann in entsprechender Weise wieder über die Steuerung der Presse angesteuert werden, wobei hierbei dann ein Programm abgearbeitet wird, das eben auf diese Werkstückvariante abgestimmt ist.
Die erfindungsgemäß in die Fixtur eingebundene Stelleinrichtung kann einen Grundaufbau aufweisen, der sich für den Einsatz in ähnlichen, jedoch für unterschiedliche Werkstücke vorgesehene Fixturen eignet. Die Fixtur kann hierbei derart modular aufgebaut sein, dass deren werkstückspezifische Komponente so gestaltet ist, dass diese zu einer Standardauslegung eines Unterbaus der Fixtur kompatibel ist, der dann eine zumindest hinsichtlich der Grundmechanik - nicht unbedingt des Lochmusters standardisierte Variante der Stelleinrichtung enthält.
Die Darstellung nach 2 veranschaulicht in Form einer vereinfachten Axialschnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Fixturhärtevorrichtung. Diese Fixturhärtevorrichtung dient hier beispielhaft der Wärmebehandlung in Form einer Abschreck-Presshärtung eines Bauteils B. Dieses Bauteil B ist hier beispielhaft als zweireihiges schrägverzahntes Zahnrades gestaltet.
Die Fixturhärtevorrichtung umfasst eine Einspannanordnung E, zur Fixierung des Bauteils B während eines Abschreckschrittes. Die Einspannanordnung E umfasst eine Basisplatte E1 und eine Deckplatte E2. Das Bauteil B wird zwischen dieser Basisplatte E1 und der Deckplatte E2 axial gespannt. An die Deckplatte E2 ist hierzu ein Druckring E3 angebunden, der auf einer Stirnfläche des Bauteils B aufsitzt.
Im Inneren der Einspannanordnung E ist eine Kanalanordnung K ausgebildet, die von einem Kühlmittel, insbesondere einem Kühlfluid durchströmt werden kann. Die Kanalanordnung K umfasst mehrere Kanalabschnitte K1, K2, ... K8. Die Kanalanordnung K dient der Zuführung eines Kühlmediums in den Bereich des fixierten Bauteils B. Die Einspeisung erfolgt hier beispielhaft über den Kanalabschnitt K1 in einer hinsichtlich Volumenstrom V und Druck p gesteuerten Weise.
Die Fixturhärtevorrichtung umfasst zudem eine Stelleinrichtung CA, zur Abstimmung des Kühlmittelstromes V durch die Kanalanordnung. Die Stelleinrichtung CA ist im Bereich der Einspannanordnung E vorgesehen und derart gestaltet, dass über diese Stelleinrichtung CA die Drosselwirkung der Kanalanordnung K einstellbar veränderbar ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Einspannanordnung E eine Schieberanordnung CA1 vorgesehen, zur Bereitstellung einstellbar veränderbarer Durchgangsquerschnitte zwischen den Kanalabschnitten K4 und K5. Die Schieberanordnung CA1 umfasst eine erste Plattenstruktur E1S und eine zweite Plattenstruktur E2S und die Einstellung der Strömungsquerschnitte erfolgt durch Einstellung der Relativposition der beiden Plattenstrukturen E1S, E2S zueinander.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Plattenstruktur E2S gegenüber der ersten Plattenstruktur E1S bewegbar, insbesondere drehbar geführt. Die beiden Plattenstrukturen E1S, E2S liegen aneinander bewegbar an. Die Drehachse der zweiten Plattenstruktur E2S verläuft hier gleichachsig zur Zentralachse X des Bauteils B.
Die Stelleinrichtung CA umfasst einen Stellmotor CA2, zur Positionierung der zweiten Plattenstruktur E2S gegenüber der ersten Plattenstruktur E1S. Der Stellmotor CA2 ist hier beispielhaft als elektromechanischer Motor dargestellt, er kann insbesondere auch als druckmittelbetätigter Motor, . oder als Stellzylinder ausgebildet sein, wobei als Druckmittel hier ggf. auch das Kühlmedium herangezogen werden kann. Die jeweils eingestellte Position der beiden Plattenstrukturen E1S, E2S zueinander wird vorzugsweise durch geeignete Messgeber, z.B. Inkrementaldrehgeber erfasst und steht der hier nicht weiter dargestellten elektronischen Steuereinrichtung zur Verfügung. Der Drehgeber kann im Motor vorgesehen sein. Aus der jeweiligen Relativposition der Plattenstrukturen E1S, E2S ergeben sich definierte Drosselwirkungen über welche in Verbindung mit weiteren Parametern, wie insbesondere dem Druck p des Kühlmediums und ggf. dem absoluten Volumenstrom V des Kühlmedium in das Werkzeug, die Fluidaufteilung prognostiziert werden kann.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die erste Plattenstruktur EIS durch die Basisplatte E1 der Spannvorrichtung E gebildet. In dieser Basisplatte E1 sind dann die Kanäle K5 in Form von Bohrungen ausgebildet. Die Eintrittsmündungen dieser Bohrungen werden von der zweiten Plattenstruktur E2S, die als Schieberstruktur fungiert, teilweise abgedeckt. Der Überlappungsgrad und damit der Durchgangsquerschnitt ist über die Winkelposition der zweiten Plattenstruktur E2S zur ersten Plattenstruktur E1S einstellbar.
Die Funktionsweise der durch die Plattenstrukturen E1S, E2S realisierten Schieberanordnung CA1 ist aus der Detail-Darstellung nach 3 weiter ersichtlich. Diese Darstellung zeigt einen Blick auf die drehbar an der ersten Plattenstruktur EIS geführte zweite Plattenstruktur E2S. Die zweite Plattenstruktur E2S ist um die Zentralachse X drehbar. In der zweiten Plattenstruktur E2S sind Axialbohrungen ausgebildet, die als solche die Strömungskanalabschnitte K4 (vgl. 2) bilden. Je nach Drehstellung der zweiten Plattenstruktur E2S fluchten diese Kanalabschnitte K4 mit den ebenfalls als Axialbohrungen realisierten Kanalabschnitten K5. Die zweite Plattenstruktur E2S ist hier so gestaltet, dass diese in eine erste Winkelstellung bringbar ist, in welcher die Kanalabschnitte K4, K5 derart gegeneinander versetzt sind, dass hier eine Vollabsperrung vorliegt. Weiterhin ist eine Endstellung einstellbar, in welcher die Kanalabschnitte K4, K5 miteinander fluchten und damit ein maximaler Öffnungsgrad besteht. Zwischen diesen beiden Endstellungen sind Zwischenstellungen einstellbar, etwaige Nicht-Linearitäten hinsichtlich Drosselwirkung Q und Winkelstellung α werden durch eine Abbildungsfunktion dargestellt und regelungstechnisch berücksichtigt.
Die zweite Plattenstruktur E2S fungiert als Schieberplatte und zudem als Teil der Stellmechanik. Hierzu ist die zweite Plattenstruktur E2S mit einer Verzahnung E2R versehen. In diese greift ein Ritzel CA3 ein. Dieses wird über den in 2 gezeigten Stellmotor CA2 richtungsgesteuert angetrieben. Die Verzahnung E2R der Plattenstruktur E2S ist hier am Außenumfang derselben ausgebildet. Das Ritzel CA3 greift radial von außen her in diese Verzahnung ein.
Nach dem erfindungsgemäßen Konzept ist in der jeweiligen Fixtur oder einem standardisierten Unterbaumodul eine Stelleinrichtung vorgesehen, die es ermöglicht innerhalb der Fixtur unterschiedliche Strömungen durch aktive Einstellung von Drosselwirkungen herbeizuführen. Hierzu können insbesondere variable Kanalgrößen durch betätigte Lochplatten eingestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Die Steuerung der Kanalquerschnitte erfolgt unter Einsatz von zwei gegeneinander verstellbaren Lochplatten: Eine Platte ist eine normale Befestigungskomponente der Fixtur und die andere eine durch Stellmittel betätigte Platte.

Die zweite Lochplatte wird durch einen Servomotor betätigt: Diese Platte bildet zugleich Bestandteil eines Getriebes und wird mit entsprechender Übersetzung durch den Servomotor getrieben.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht eine dynamisch variable Einstellung der Kühlmittel-Umspülung des Werkstücks.
Dieses Konzept kann auf alle Kanäle, Kanalgruppen oder auf einzelne Kanäle und betimmte Gruppen angewendet werden.
Unmittelbar nach Beaufschlagung des Werkstücks von außen her kann der Fluss während des Prozesses effektiv variiert werden.
Die Steuerung erfolgt insbesondere durch direkte Kontrolle der Winkelposition der Lochplatte und damit der sich daraus ergebenden Querschnittsgröße im Übergangsbereich der Kanäle in der Lochplatte und der Kanäle in der Basisplatte.
Für das Abschrecken ist die Öldurchflussmenge von Bedeutung, diese ist nicht nur von der Kanalgröße, sondern auch von dem Druck / der Ölzufuhr zusammen mit der Größe der anderen Kanäle abhängig. Erfindungsgemäß kann der Ölfluss zu und der Ölfluss zwischen verschiedenen Kanälen gesteuert werden.
Die Steuerung wird sensortechnisch unterstützt. Die Steuerung wird als Regelung mit Signalrückführung realisiert.

• Die Einstellung der Strömung-/Strömungsaufteilung kann über CFD-Simulation und Rückmeldung der erforderlichen Kanalgrößen ausgelegt werden. Dazu kann:
- - Vorab eine Simulation für verschiedene gewünschte Strömungsaufteilungen durchgeführt werden
- - Die Steuerung der Ölversorgung kann unter Rückgriffnahme auf eine Tabelle erfolgen die den Kanalquerschnitt bei der jeweiligen Winkelstellung beschreibt.

Die Ermittlung des zeitlichen Verlaufes des zu erwartenden Stellvorgangs kann als Preprozessing zusammen mit einer Simulation des Verzerrungsverhaltens durchgeführt werden. In Kombination mit einer Optimierungsschleife kann die beste Einstellung abgeleitet und an der Maschine eingestellt, insbesondere grundkonfiguriert werden. Hierbei können auch Änderungen während des Abschreckvorgangs berücksichtigt werden, um auf bestimmte Änderungen des Schrumpfungs- / Verzerrungsverhaltens wie lokal auftretende Phasenumwandlungen zu reagieren.
Die Lochplatten können unterschiedliche Lochformen haben: rund, oval rechteckig, in Stellrichtung länglich bogenförmig gestreckt, polygonal, tropfenförmig.
Die Darstellung nach 4 veranschaulicht den Aufbau eines zur Abwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie zum Einsatz der erfindungsgemäßen Fixturen vorgesehenen Systems. Dieses Umfasst eine Härtepresse HP, ein Fixturenmagazin M mit mehreren Fixturen F1, F2... Fn, sowie Steuereinrichtungen C1, C2, CP.
Über die Steuereinrichtung C1 wird das für die jeweilige Fixtur F1...Fn vorgesehene Steuerprogramm generiert. Dies erfolgt insbesondere unter Berücksichtigung thermischer Modelle der Fixtur und des Werkstückes und berücksichtigt insbesondere auch die Strömung des Kühlmediums innerhalb der Fixtur. Über die Steuereinrichtung C2 werden die Arbeitsprozesse koordiniert. Entsprechend der Werkstückanforderung wird eine geeignete Fixtur aus dem Magazin M abberufen und über eine Bestückungsmechanik in die Presse HP verbracht und dort an standardisierte Schnittstellen angekoppelt. Die Steuereinrichtung C2 steuert auch die Pressensteuerung CP. In dieser ist wird das für die individuelle Fluidsteuerung in der Fixtur F1...Fn vorgesehene Steuerprogrammmodul hinterlegt, oder ein dort vorgesehenes Steuerprogramm wird hinsichtlich seiner Ablaufparameter konfiguriert.
Nach Verbringung eines erhitzten Werkstücks in die montierte Fixtur FM schließt die Presse HP. Die Steuereinheit CP bringt die Stellorgane innerhalb der Fixtur FM und das Sperrventil SV in einen Grundzustand. Es wird die Kühlmittelpumpe KM aktiviert und bei Erreichen eine geforderten . Systemdruckes wird das Sperrventil SV geöffnet. Das Kühlmittel strömt in die Fixtur FM und dringt über die Kanalanordnung K der Fixtur zum Werkstück vor. Entsprechend dem für die Fixtur vorgesehenen Stellprogramm werden die Stellglieder innerhalb der Fixtur eingestellt, so dass sich die Fluidführung über das Werkstück programmgesteuert ändert. So können insbesondere unterschiedliche Bereiche des Werkstücks zeitlich versetzt mit Kühlmittel beaufschlagt werden und der Volumenstom über bestimmte Bereiche kann zeitlich geändert werden.
An der Härtepresse HP sind Aufnahmen und Schnittstellensysteme vorgesehen, die zu den relevanten Fixturen F1...Fn kompatibel sind. Neben der Grundversorgung der jeweiligen Fixtur F1...Fn über das Kühlmittelspeisesystem erfolgt innerhalb der Fixtur eine programmgesteuerte Verteilung des Kühlfluides nach Maßgabe eines vorab durch Simulationen und ggf. empirsche Ansätze optimierten zeitlichen Ablaufs. Durch seitens der Fixturen vorgesehene Sensoren kann auch dieser Teil der Prozesssteuerung zumindest in definierten Grenzen noch in Verbindung mit einer Signalrückführung geregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4004295 C2 [0003]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils, bei welchem im Rahmen eines Einspannschrittes das Bauteil in einer Einspannanordnung gespannt wird und das in der Einspannanordnung gespannte Bauteil im Rahmen eines nachfolgenden Abschreckschrittes von einem Kühlmedium durch und/oder angeströmt und abgekühlt wird, wobei: - das Kühlmedium hierbei durch eine Kanalanordnung zum Werkstück geführt wird, die durch die Einspannanordnung bereitgestellt wird, und - die Strömung des Kühlmediums durch die Kanalanordnung durch die Einstellung von Strömungsquerschnitten im Bereich der Einspannanordnung abgestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnitte der Kanalanordnung während des Abschreckschrittes gesteuert verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnitte durch gesteuerte Positionierung von Ventil-, Drossel- oder Schieberstrukturen im Bereich der Einspannanordnung verändert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanordnung mehrere Kühlmittelkanäle umfasst und die Durchströmung der Kühlmittelkanäle gruppiert eingestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanordnung mehrere Kühlmittelkanäle umfasst und die Durchströmung definierter Kühlmittelkanäle kanalspezifisch eingestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Strömung des Kühlmediums über das Werkstück unter Abstimmung des Fluiddruckes durchgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Strömung des Kühlmediums unter Abstimmung des insgesamt eingespeisten Kühlmittelstromes durchgeführt wird.
Fixturhärtevorrichtung zur Wärmebehandlung eines Bauteils mit: . - einer Einspannanordnung (E), zur Fixierung des Bauteils (B) während eines Abschreckschrittes, - einer Kanalanordnung (K) zur Zuführung eines Kühlmediums in den Bereich des fixierten Bauteils (B) und - einer Stelleinrichtung (CA) zur Abstimmung des Kühlmittelstromes (V) durch die Kanalanordnung (K), wobei - die Stelleinrichtung (CA) im Bereich der Einspannanordnung (E) vorgesehen und über diese Stelleinrichtung (CA) Strömungsquerschnitte (Q) oder die Drosselwirkung der Kanalanordnung (K) einstellbar veränderbar sind.
Fixturhärtevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einspannanordnung (E) eine Schieberanordnung vorgesehen ist, zur Bereitstellung einstellbar veränderbarer Strömungsquerschnitte.
Fixturhärtevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schieberanordnung eine erste Plattenstruktur (E1S) und eine zweite Plattenstruktur (E2S) umfasst und die Einstellung der Strömungsquerschnitte durch Einstellung der Relativposition der beiden Plattenstrukturen (Eis, E2S) zueinander eingestellt wird.
Fixturhärtevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plattenstruktur (E2s) gegenüber der ersten Plattenstruktur (E1S) bewegbar geführt ist.
Fixturhärtevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellanaordnung vorgesehen ist, zur Positionierung der zweiten Plattenstruktur (E2S) gegenüber der ersten Plattenstruktur (E1S).
Fixturhärtevorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plattenstruktur (E1S) durch eine Basisplatte (E1) der Spannvorrichtung (E) gebildet ist und/oder die Stellanordnung einen Stellmotor (CA2) umfasst, der in die Spannvorrichtung (E) eingebunden ist.